时变扩散系数对混凝土结构服役寿命的影响

基于氯离子二维扩散模型考虑混凝土氯离子扩散衰减系数及其随机性,计算了氯盐侵蚀下混凝土结构的可靠度及服役寿命。为克服传统可靠度敏感系数的缺陷,分析氯离子扩散衰减系数及其随机性对混凝土结构耐久性的影响,根据全微分公式导出了可靠度对随机变量均值和变异性的无量纲敏感系数。计算结果表明,忽略氯离子扩散系数时变性会导致显著地低估结构服役寿命,而不考虑衰减系数的随机性又会明显地高估结构耐久性能。敏感性分析结果表明,混凝土氯离子扩散衰减系数与混凝土保护层厚度对氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性的影响占主导地位,并随着服役时间的增加,衰减系数的影响会超过混凝土保护层厚度。     

粉煤灰掺量对氯盐环境下高性能混凝土服役寿命的影响

鉴于粉煤灰掺量对混凝土的抗氯离子侵蚀及服役寿命有显著影响,开展了粉煤灰混凝土的氯离子快速扩散实验和解析研究,分析了粉煤灰掺量对混凝土的扩散系数、氯离子结合能力,进而得到对混凝土服役寿命的影响规律。通过建立敏感系数模型,开展了混凝土结构服役寿命对氯离子Freundlich等温结合模型的敏感性分析。据此研究粉煤灰掺量对混凝土服役寿命的影响机理。实验结果表明,粉煤灰掺量为50%时混凝土氯离子扩散系数最小,粉煤灰掺量为30%时氯离子结合能力达到最大。模型计算和分析进一步表明:尽管粉煤灰掺量既可以通过混凝土扩散系数,也可以通过氯离子结合能力对混凝土服役寿命产生影响,但前者的影响更显著。通过对Freundlich等温结合模型的敏感性分析发现,较之于混凝土的初始结合能力,混凝土对氯离子的远期结合能力对混凝土结构服役寿命的影响更大,但随着粉煤灰掺量的增加,该影响会不断下降。     

氯盐环境混凝土结构服役寿命可靠度分析简化公式

考虑氯盐环境中氯离子侵入混凝土过程中的混凝土扩散系数、钢筋保护层厚度、临界氯离子浓度和表面氯离子浓度的随机性,建立了氯盐侵蚀下混凝土结构服役寿命的简化计算公式。简化公式比Monte Carlo抽样模拟方法和一次二阶矩验算点法更简便,无需迭代计算,且计算精度优于中心点法。由算例的计算结果可知,本文简化计算公式的计算精度满足实际工程中的精度要求,可以用于工程中氯盐混凝土结构的耐久性可靠度分析,具有较大的应用价值。     

混凝土海洋平台抗氯离子侵蚀耐久寿命预测试验研究

对不同水灰比及掺加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土氯离子扩散系数进行了试验研究,并对高性能混凝土海洋平台结构抗氯离子侵蚀耐久寿命进行了预测和分析,结果表明在一定条件下,低水灰比和增加保护层厚度均可以提高混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久寿命.该结论为混凝土海洋平台结构的耐久性设计与评估提供了参考依据.     

混凝土C_S和D双时变下氯离子浓度分布解析解

为了准确分析氯离子侵蚀环境下混凝土结构的耐久性,同时考虑表面氯离子浓度和扩散系数的时变性对混凝土中氯离子扩散过程的影响。首先应用变量代换法、Laplace积分变换及其逆变换,建立了同时考虑混凝土表面氯离子浓度和扩散系数时变性的氯离子扩散解析解。通过算例分析验证了解析解的正确性,并对比研究了表面氯离子浓度和扩散系数的时变性对混凝土中氯离子扩散的影响。结果表明,两个参数的时变性都会对混凝土中氯离子浓度分布产生显著影响,且随着计算深度增大,双时变影响越显著,其中扩散系数的时变性影响更大。因而,混凝土结构耐久性分析和设计中应同时考虑表面氯离子浓度和氯离子扩散系数的时变性。     

氯离子环境下混凝土结构耐久性设计方法

现阶段混凝土结构耐久性问题日益突出,成为影响工程结构服役寿命的重要因素,而目前在<混凝土结构设计规范>(GB50010-2002)中尚未明确提出具体的耐久性设计方法.针对这种情况,本文以氯离子环境作用为例,提出在氯离子环境作用下进行混凝土结构耐久性设计时应遵循的原则和方法.     

对流效应对氯离子侵蚀混凝土过程的影响

氯离子侵蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要原因之一.为预测氯盐环境下混凝土中氯离子的概况,建立了多相耦合的氯离子侵蚀模型,模型中考虑到了非饱和条件下氯离子以扩散和对流两种方式传输.基于此模型,利用数值模拟手段探讨了对流效应对氯离子侵蚀混凝土过程的影响.分析结果表明:不仅扩散而且对流效应也对氯离子侵蚀混凝土过程有着显著影响,可为混凝土结构耐久性评估与设计提供参考.     

圆形截面对氯离子扩散及耐久性设计的影响

针对氯离子在钢筋混凝土圆形截面中的扩散问题,提出考虑截面效应、以扩散系数为时变函数的圆形扩散模型.探讨一维平板单元所对应的平板扩散模型对评估圆形截面中钢筋表面氯离子浓度所产生的影响,给出误差率计算公式.对比采用平板扩散模型与圆形扩散模型下混凝土圆柱耐久性设计结果,结果表明,平板扩散模型将低估钢筋表面氯离子浓度,半径越小保护层厚度越大,低估现象越明显.为控制误差率在5%内,当圆形截面半径小于50 cm时,需使用圆形扩散模型.对比两者设计结果发现,采用平板扩散模型将降低最小保护层厚度要求,建议在平板扩散模型设计结果的基础上增加5 mm.     

基于机器学习的再生混凝土配合比设计方法

再生混凝土技术是实现建筑垃圾资源化利用的有效途径. 通过收集再生混凝土氯离子侵蚀试验和碳化试验的数据，将材料信息和试验环境信息作为输入参数，采用电通量和碳化深度分别量化再生混凝土的抗氯离子侵蚀和抗碳化性能，基于机器学习方法构建再生混凝土的耐久性能预测模型，在此基础上以强度、耐久性和成本作为优化目标，结合 NSGA-Ⅱ算法和优劣解距离法提出再生混凝土配合比优化设计方法. 结果表明：梯度提升树模型可以较好地预测再生混凝土的抗氯离子侵蚀性能，高斯过程回归模型则对再生混凝土抗碳化性能预测表现较好；采用提出的配合比优化设计方法获得了满足耐久性和力学性能要求的低成本再生混凝土配合比建议值，可用于指导施工配合比设计.     

海洋环境要素综合影响下混凝土中氯离子的传输模型

为澄清多种海洋环境要素对混凝土氯离子侵蚀的综合影响,在对混凝土氯离子侵蚀机理分析的基础上,建立了日照、潮汐、气温等海洋环境综合影响下的混凝土氯离子传输计算模型.该模型在传统对流-扩散模型中增加了ASHRAE晴空日照模型,并考虑了潮汐水位的周期变化导致的干湿两个过程中水分扩散以及水-土界面扩散等边界条件的差异,采取氯离子相对孔隙液的浓度作为控制指标,运用有限差分法,对海上混凝土结构全生命周期内的温度场、湿度场、氯离子浓度场进行动态耦合计算.通过试验实测数据对各模块计算结果进行验证,吻合良好.该模型对于海工混凝土的耐久性设计具有参考价值.     

高地温对混凝土氯离子渗透性能影响分析

混凝土的抗氯离子渗透性是混凝土耐久性的一个重要指标,影响到引水隧洞等工程的使用寿命。为获得高地温对混凝土氯离子扩散的影响规律,在电通量法获得不同养护温度条件下,混凝土的抗氯离子渗透实验结果的基础上,采用非线性氯离子吸附模型与温度耦合的数值计算方法,分析了不同温度梯度条件下混凝土氯离子扩散规律。结果表明:20～60℃混凝土抗氯离子渗透性能随温度升高而增强; 60～90℃抗氯离子渗透性能随温度升高而迅速降低;随时间的推移自由氯离子在混凝土中呈非线性扩散且深度不断增大,直至穿透混凝土。因此,进行氯离子在混凝土中的扩散分布研究,可以客观地预测混凝土的服役寿命。     

圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面承载力计算方法探讨

圆形截面偏心受压构件在钢筋混凝土结构中应用相当广泛,其承载力计算相对于矩形截面而言甚为复杂,为了便于计算,现行不同规范均作出了相应的假定。在对各种计算方法的简化过程、内容进行分析对比的基础上,通过算例计算对各计算方法的精度进行分析对比,总结了其规律,为更方便、有效地进行圆截面承载力设计计算奠定了一定基础。     

盾构隧道功能梯度混凝土管片保护层设计及性能

针对武汉长江隧道工程高压富水的环境要求,以提高构件的耐久性,延长其服役寿命为主要目标,引入功能梯度材料设计原理,对盾构隧道管片外保护层材料进行单独设计.对普通混凝土保护层、高性能混凝土保护层及无细观界面过渡区水泥基材料(MIF)保护层等3种体系分别进行了对比分析及相关性能研究.结果表明,无细观界面过渡区水泥基材料表现出更为优异的性能,氯离子扩散系数减小一个数量级,而材料服役寿命增长10倍以上;力学性能及体积稳定性优良,完全满足工程所需强度,整体结构的体积变形匹配性良好,表面未见开裂,有效保证了结构构件的高耐久、长寿命.     

海洋环境下混凝土方桩使用寿命预测模型

基于Fick第二定律,建立了考虑扩散系数时变性、荷载对扩散系数影响和氯离子结合能力的氯离子扩散方程;通过求解扩散方程得到考虑多因素影响的混凝土方桩使用寿命预测模型;并分析了桩的保护层厚度、裂缝控制宽度、表面氯离子浓度和临界氯离子浓度等因素对桩的使用寿命的影响.分析结果表明:得到的氯离子扩散方程与实测数据吻合较好;对于设计使用寿命为50年的混凝土方桩,保护层厚度应大于45mm,桩身裂缝宽度不宜大于0.1mm.     

基于非饱和试件的混凝土水分传输评定

混凝土是一种多孔材料,水或空气可自由渗入混凝土,降低了混凝土的耐久性.混凝土抗渗性能是耐久性问题主要影响因素之一,多数研究集中在饱水混凝土的渗透系数和氯离子扩散系数方面,实际上建筑工程多数处于非饱水状态,混凝土水不饱和状态也是影响抗渗性能的重要因素之一.多数研究对试件进行切片研究,费力费时,受试验方式方法环境等影响大,也不能做到实时、全寿命监测.该文通过施加水压,从混凝土表面渗入压力水到钢筋骨架附近,研究了非饱和状态下混凝土内部的水分传输监测装置,水分迁移评价方法.研究结果表明,45%初始饱和度以下混凝土可以采用电阻法进行全寿命监测.低水平荷载下,既定深度处水分到达时点与荷载水平成反比.     

不同措施对热带海洋砼结构服役寿命的影响

海工钢筋混凝土结构由于长期受到海洋盐雾大气、浪溅与潮汐、高温等环境因素作用,大量氯离子侵入混凝土中,致使结构中的钢筋严重锈蚀,从而使混凝土结构难以达到50年的设计寿命要求.本文基于修正的氯离子扩散理论与可靠度理论,通过南海实际工程来探讨一些结构措施和附加措施对海工混凝土服役寿命的影响.结果表明:增大结构的保护层厚度能有效延长结构的服役寿命.对混凝土结构施加一定的附加防护措施,也能够有效地延长混凝土结构在热带海洋环境下的服役时间.最有效的附加防护措施是采用不锈钢钢筋,但是价格太高而应用受限,比较适用的是硅烷外涂或者使用阻锈剂,但对于一维结构而言仅仅使用其中一种并不能保证结构50年的设计寿命.     

盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命的预测模型及其应用

根据Fick扩散定律，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力，氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，建立了用于预测混凝土使用寿命的氯离子扩散理论模型，用暴露于青海盐湖地区的C20和C40混凝土立方体试件对理论模型进行了实验验证，用在青海盐湖地区实际运行19a的钢筋混凝土结构对理论模型进行了工程验证，结果表明，本文理论模型的预测值与实测值非常吻合，而Fick第二扩散定律与实测值明显不符，此外，运用本文理论模型预测普通钢筋混凝土电杆在盐湖地区的使用寿命仅1．2a，而抗腐蚀钢筋混凝土电杆的使用寿命能够达到50a以上。     

海洋环境下硅灰混凝土的抗冻性与氯离子扩散性

针对海洋环境条件,重点研究了硅灰混凝土的抗冻性和氯离子扩散性能的关系.试验分析了水胶比、硅灰等量替代水泥掺量大小、引气剂掺量等因素对混凝土抗冻性和氯离子扩散性能的影响,并与普通混凝土进行了对比.结果表明,掺加硅灰不能提高混凝土的抗冻性但可提高混凝土的抗氯离子渗透性;硅灰只有与引气剂共同使用,才能同时提高混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性能;硅灰掺量在10%左右对混凝土的抗冻和抗氯离子渗透综合性能影响存在一个最佳值.为评估混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性的综合性能,提出了新的评价方法--冻渗比(R值方法),并进行了试验验证.