混凝土桥梁氯离子侵蚀过程仿真的细胞自动机模型

为准确高效地模拟钢筋混凝土桥梁在运营期间氯离子的侵蚀过程,并获得梁截面内任意时刻任意位置的氯离子浓度,提出基于细胞自动机理论的混凝土桥梁氯离子侵蚀过程模拟方法.首先,根据细胞自动机原理对氯离子侵蚀过程进行分析,利用简单的局部进化行为模拟复杂的扩散过程.然后,综合考虑时空变异性、水灰比、应力状态等因素对氯离子侵蚀过程的影响,建立多因素耦合作用下的混凝土桥梁的氯离子侵蚀模型.最后,以某T梁为例,分析桥梁服役期间氯离子扩散规律及混凝土水灰比和应力状态对氯离子扩散过程的影响.结果表明,钢筋表面的氯离子浓度值在侵蚀20年时开始趋于稳定,角部区域钢筋更易锈蚀;混凝土水灰比越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快;梁截面拉应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越快,而压应力越大,钢筋表面的氯离子浓度增长越缓慢.     

海工预应力混凝土氯离子侵蚀模型及耐久性

总结分析了国内外有关混凝土中氯离子侵入模型的研究概况,针对海工预应力混凝土结构,讨论了影响氯离子侵入预应力混凝土的各种因素．考虑混凝土与氯离子间的结合能力,建立了预应力混凝土氯离子侵入数学模型．以混凝土保护层厚度、氯离子扩散速度以及表面氯离子浓度为主要参数,运用可靠度理论,建立了海工预应力混凝土结构耐久性可靠度分析模型．分析结果表明：应力状态下。混凝土的氯离子有效扩散系数是变化的,其中混凝土的拉应力会加快氯离子的扩散,而压应力则相反;同时从耐久性分析中可知,混凝土保护层厚度对氯离子侵蚀下的PC结构耐久性影响最大,表面氯离子浓度及氯离子扩散速度次之．     

氯盐侵蚀环境和荷载耦合作用下盾构管片耐久性评价与寿命预计

基于荷载作用下管片混凝土内部孔隙率的变化特征,提出荷载作用对氯离子扩散影响的理论分析模型,并根据Fick第一定律,推导得荷载作用对氯离子扩散系数的影响方程。在参考既有试验数据的基础上,采用数值拟合和参数回归的方法,分别建立侵蚀环境氯离子质量分数、荷载水平以及侵蚀时间3因素耦合作用下的扩散系数与表面氯离子质量分数的数学表征模型,进一步结合Fick第二定律提出了氯盐侵蚀环境及结构荷载耦合作用下的盾构隧道管片结构混凝土耐久性评价模型及寿命预计方法。     

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.     

氯盐侵蚀环境下圆形截面混凝土构件服役寿命 分析与配合比选择

氯离子侵蚀混凝土结构,导致混凝土过早发生破坏,其原因之一是在进行结构满足耐久性设计时忽略了结构的外形和扩散维数对氯离子扩散的影响。基于钢筋脱钝的临界氯离子浓度,提出了圆形截面氯离子侵蚀的耐久性服役寿命计算方法。开展了耐久性正交实验,通过服役寿命定量计算,可以对圆形截面构件混凝土的配合比进行设计与选择。通过算例分析混凝土构件的服役寿命,结果表明圆形截面构件相对于矩形截面构件具有更好的耐久性,在混凝土结构耐久性设计时,采用圆形截面构件可以增加满足耐久性的混凝土配合比方案,减小混凝土配置难度,降低建造成本。     

干湿交替作用下氯离子在开裂混凝土中的输运规律

为了获得干湿交替作用下氯离子在开裂混凝土内的侵蚀规律,采用双重孔隙介质模型,考虑氯离子在混凝土孔隙内的线性结合,将水分和氯离子在混凝土和裂缝内的迁移分别表示为扩散形式和对流-扩散形式,得出不同饱和度下的水分扩散方程和氯离子对流-扩散方程,以及Rayleigh-Ritz分布下相应的水分扩散系数随孔隙饱和度的变化规律,并采用有限单元法计算干湿交替作用下的水分和氯离子在一规则开裂混凝土内的迁移过程,得出的干燥与湿润过程中的氯离子侵蚀结果与试验结果较吻合.模拟结果表明:在干湿交替作用下,裂缝深度对超出裂缝部分的氯离子影响较大,而裂缝宽度、循环周期、初始饱和度对混凝土和裂缝中的氯离子浓度影响较小.     

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.     

不同应力状态下混凝土抗氯离子侵蚀的研究

提出混凝土试件在不同应力状态下氯离子侵蚀试验的方法，分析了混凝土的应力水平、水灰比对氯离子侵蚀速度的影响，建立了混凝土在应力状态下氯离子侵蚀速度预测的数学模型，推断出预应力混凝土抗氯离子侵蚀能力强于普通混凝土的结论。     

基于DLA的氯离子侵蚀与碳化耦合作用下桥梁性能演变模拟

氯离子侵蚀和碳化是影响混凝土结构耐久性的主要因素,各自的理论公式已比较完善,但考虑二者耦合作用的定量分析和模型较少,影响混凝土结构耐久性分析的精度和水平.扩散限制凝聚模型(Diffusion-limited Aggregation,DLA)能够较完善地模拟气体的扩散凝聚,且具有随机性和分形特征,适合细致反映氯离子侵蚀、碳化及二者耦合作用下混凝土性能演变过程.本文基于DLA原理,考虑到扩散深度、混凝土特性及暴露条件等对氯离子扩散的影响,并考虑到混凝土特性及暴露条件等对碳化的影响,以及碳化与氯离子侵蚀的耦合作用,建立DLA模型,可获得任意时刻、任意位置处二氧化碳与氯离子的浓度.针对桥梁耐久性分析需求,提出利用DLA模型预测考虑疲劳效应的混凝土和钢筋性能退化方法.算例表明该方法能够动态细致地模拟桥梁耐久性演变过程.     

耦合多相传输的氯离子侵蚀混凝土数值模拟研究

氯离子侵蚀是导致氯盐环境中混凝土结构承载力下降的主要原因之一.为预测渗有氯盐混凝土中氯离子的传输和分布规律,建立了考虑温湿影响的多相耦合氯离子侵蚀模型,模型中考虑到了作为非饱和多孔材料的混凝土中热量、水分、气体与氯离子耦合运输过程,以及伴随发生的相变现象.相变过程既包括水分的蒸发与凝结,也涉及氯盐的溶解与沉淀.特别是氯离子的存在对材料组成成份的物理和热力学性能的影响在模型中也进行了考虑.为求解构成模型的耦合偏微分方程组,采用了有限元法和完全隐式差分法.模型预测与试验结果具有较好的一致性,展现出所发展的数值计算方法在重现氯离子侵蚀混凝土真实过程的能力,将可有效用于实际混凝土结构耐久性评估与设计中.     

考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型及其求解方法

为准确预测跨海隧道衬砌内部氯离子含量,本文提出了一个考虑非饱和效应的跨海隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型。首先,分别引入Langmuir等温吸附结合模型、幂函数型非饱和扩散方程和VG-Mualem水分传输模型,依次考虑氯离子结合效应、混凝土内部非饱和扩散以及非饱和水分渗透作用对氯离子传输的影响,建立非饱和状态下的隧道衬砌混凝土氯离子侵蚀理论模型;其次,基于有限差分原理提出模型的数值求解方法,并验证求解方法的有效性;最后,通过试验分析模型的可靠性,开展参数讨论。研究结果表明：在非饱和状态下,水分渗透对混凝土内离子输运有双重促进作用,使得混凝土内部的饱和度、扩散系数和渗透系数均随时间增加而逐渐增大;在外水压作用早期,混凝土内部处于非饱和状态时,混凝土内部的毛细压力对离子传输效率的影响占主导作用,且呈现出显著的正相关性;饱和渗透系数越大,溶质流速越快,氯离子传输效率也更高。本文提出的基于有限差分原理的数值求解方法是有效的,建立的非饱和状态下隧道衬砌混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型具有可靠性,可用于分析混凝土内部非饱和状态时的氯离子传输规律。     

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。     

预应力混凝土结构的氯离子二维扩散理论

针对无限大的扩散介质,以综合考虑氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和环境温湿度影响的实际预应力混凝土氯离子方程为基础,分别在常数和幂函数边界条件下,推导出二维氯离子扩散理论的齐次模型.同时根据常数边界条件,模拟氯离子在二维的扩散行为,满足实际的边界条件,模拟值与试验值吻合良好.通过试验发现氯离子扩散在相邻两个表面非稳步同时进行的特点,并且分别探讨了水胶比与应力水平对预应力混凝土结构氯离子扩散的影响.     

混凝土内修正的氯离子运移模型及耐久性分析

基于Fick第二定律,建立了混凝土内综合考虑扩散、电场迁移与结合作用的氯离子运移耦合模型,并通过已有试验数据对模型进行验证。以南通盐渍土环境为例,运用Comsol Multiphysics软件分析盐渍土内混凝土中氯离子的运移机制以及混凝土内氯离子随时间和空间的分布,研究不同强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土和粉煤灰混凝土抗氯盐侵蚀的能力。结果表明:盐渍土腐蚀环境下,普通硅酸盐水泥混凝土结构仅靠提高混凝土强度和保护层厚度不能满足高耐久性要求,采用粉煤灰混凝土能延长结构使用年限;在保证使用年限为100 a的前提下,建议南通盐渍土环境中的钢筋混凝土结构采用粉煤灰混凝土,强度等级为C30、C40、C50和C60的混凝土结构保护层厚度分别为55 mm、50 mm、45 mm和40 mm。     

混凝土中基于有限域的氯离子双时变扩散解析模型

针对现行的混凝土中氯离子浓度分布解析解不能合理反映材料性能和边界条件的时变性,研究建立了混凝土中基于有限域的氯离子双时变扩散解析模型。首先综合考虑氯离子扩散系数(D)和混凝土表面氯离子浓度(Cs)的时变性,建立了基于有限域的氯离子双时扩散控制方程;然后利用积分法,推导建立了氯离子扩散场补偿长度的计算公式,在此基础上建立了基于有限域的氯离子双时变扩散解析模型;最后通过与数值分析结果和自然暴露环境下的试验数据进行对比分析,验证了该模型的有效性和适用性。分析结果表明,同时考虑D和Cs时变性的模型,不仅能够合理确定氯离子扩散场的补偿长度,而且可以合理描述混凝土中氯离子的浓度分布,具有良好的计算精度和适用性。     

荷载-环境耦合作用下钢筋混凝土柱退化过程分析

针对荷载与环境因素耦合作用下钢筋混凝土柱承载性能退化及柱截面应力重分布问题,以受轴压荷载和硫酸盐、氯盐侵蚀耦合作用的钢筋混凝土柱为研究对象,根据硫酸盐侵蚀混凝土损伤机理,建立了基于Kent-Park模型的混凝土腐蚀损伤本构模型。基于氯盐导致的钢筋锈蚀机理,给出了混凝土内锈蚀钢筋有效截面积的计算公式。最后,采用纤维网格法建立了荷载与硫酸盐、氯盐耦合作用下钢筋混凝土柱承载力和柱截面应力的计算方法,并进行了数值分析。结果表明,在荷载-环境耦合作用过程中,钢筋混凝土柱承载力逐渐减小,且柱截面应力发生了重分布现象,钢筋和未腐蚀混凝土的应力随腐蚀时间的增加而增大,而腐蚀后的混凝土应力由表及里逐渐增加。     

饱水混凝土中硫酸根离子扩散-反应模型研究

针对硫酸盐环境下混凝土的劣化问题,本文从腐蚀机理出发,采用Fick第二定律,考虑硫酸根离子在混凝土中扩散的曲折度,结合水泥水化、腐蚀产物填充和材料损伤度对孔隙的影响建立了硫酸盐侵蚀下混凝土的扩散-反应模型;开展了3种水灰比的混凝土在2种浓度的硫酸盐侵蚀条件下的浸泡腐蚀试验,并与模型计算结果对比分析。结果表明：模型计算值与试验实测值基本一致;相同浓度下,水灰比越大混凝土内部同一截面硫酸根离子含量越高;水灰比一样的混凝土,侵蚀浓度越高腐蚀产物填充孔隙周期越短,相同周期内侵蚀深度越大。最后通过建立的混凝土受硫酸根离子侵蚀的最大深度预测模型,可见硫酸盐侵蚀混凝土的最大侵蚀深度随着侵蚀龄期的延长而逐渐变缓,后随着腐蚀产物对混凝土产生损伤,扩散速率加快,侵蚀深度变大。     

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。     

环境条件和应力水平对混凝土中氯离子传输的影响

为了研究自然环境中混凝土的氯盐侵蚀过程,进行了不同侵蚀角度、氯化钠溶液质量浓度、环境温度、应力水平下的混凝土盐雾加速侵蚀试验,分别探讨了在不同的条件下氯离子在混凝土中的扩散规律.结果表明:盐雾箱中试件放置角度不同,其表面氯离子聚集量会不同,最终导致氯离子侵蚀程度不同,其中以平面或45°侧面为侵蚀面时,表面氯离子质量分数较高,氯离子侵蚀程度严重;随着氯化钠溶液质量浓度的增大,盐雾沉降量增加,表面氯离子质量分数也增加,不过最终会达到一个衡定值;随着环境温度的升高,氯离子表观扩散系数逐渐增大;由于压应力状态下混凝土内部结构更加密实,氯离子表观扩散系数显著减小.     

钢筋影响下混凝土中氯离子质量分数累积研究

针对钢筋影响下混凝土中氯离子质量分数的预测,试验研究了钢筋表面氯离子质量分数累积情况;通过定义容量系数和传递系数给出了氯离子非稳态扩散的质量守恒矩阵方程,将所编译的扩散模块与ANSYS链接得到混凝土中氯离子质量分数累积的数值模拟方法,并作了有效性验证.研究表明:该方法能够灵活地预测考虑钢筋存在的同时,各种复杂截面形状的混凝七构件在单一或多边界同时遭受氯离子侵蚀时的氯离子质量分数累积.