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.     

非饱和混凝土氯离子传输细观研究

为研究非饱水状态混凝土中氯离子的侵蚀问题,根据混凝土在干湿循环过程中的水分迁移特点,考虑混凝土中氯离子传输的影响因素,推导出非饱水状态下水分-氯离子传输的对流-扩散耦合方程.融合氯离子侵蚀数值模型与细观随机混凝土模型,总结得到了非饱水混凝土中氯离子传输的一般规律.研究结果表明:受骨料的影响,物质传输路径和含量梯度方向变得复杂;混凝土骨料对氯离子含量有较大的影响,且氯离子含量分布存在聚聚效应;不同于混凝土表层,由于对流和扩散的共同作用,靠近内部区域的氯离子含量在湿润过程中上升,在干燥过程中下降,湿润过程中骨料周围的氯离子含量聚聚效应更加显著.文中成果可为研究非饱水状态混凝土中氯离子的传输机理提供参考.     

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.     

非饱和混凝土中氯离子输运问题的边界元算法

氯离子侵蚀对混凝土结构耐久性造成极大危害,研究混凝土中氯离子输运问题的计算方法,对于完善混凝土结构寿命预测与评估方法具有重要意义.针对非饱和混凝土中氯离子输运问题,综合考虑了渗透和扩散对输运过程的影响.将相应的控制方程转化为积分弱形式,采用径向积分法和基于紧支径向基函数的函数逼近方法,得到仅包含边界积分的积分方程.采用中心差分格式表示非稳态项中的湿度梯度和浓度梯度,进而建立该问题的无网格边界元方程.通过求解系统方程,得到混凝土中氯离子输运问题的解答.计算表明,混凝土未饱和之前,渗透过程对氯离子输运的影响显著高于扩散过程,渗透对扩散过程的影响时间远长于混凝土达到饱和的时间.这为进一步研究干湿循环作用下混凝土中氯离子输运问题奠定了基础.     

氯离子在非饱和混凝土中传输过程的数值模拟

为确定氯离子在非饱和混凝土构件中的传输过程,推导了基于物质守恒定律的氯离子对流扩散方程;并对控制方程中的计算参数以及有限元计算过程的稳定性进行了初步讨论.在此基础上,定量分析了对流效应对氯离子传输过程的影响.分析结果表明,对流和扩散效应的耦合作用主要出现于构件表层;对流效应在传输过程初期较为显著.最后,对计算模型的参数...     

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.     

高性能混凝土水分扩散数值解法

基于F ick定律,并考虑高性能混凝土自干燥效应,给出干燥状态下高性能混凝土水分扩散平衡方程.并且在有限差分方法(FDM)和有限元方法(FEM)基础上推导出高性能混凝土水分扩散非线性偏微分方程的数值求解方法,计算结果与试验结果吻合良好,说明该数值方法可以用于混凝土水分扩散计算.     

溶质传输问题的一个经济差分格式

将求解线性对流扩散方程的特怔线修正交替方向有限差分格式推广到含非线性扩散项和源汇项的溶质传输问题。对流项采用沿着特征线修正的差分结合插值技术进行离散,每个时间步顺序求解两个空间方向上的一维问题, 证明了格式的稳定性和收敛性。     

基于差分法及试验联合确定非饱和土渗透系数的方法

非饱和土渗透系数是随体积含水量变化的一个复杂变量,难于通过试验直接获取,实际工程中主要采用经验公式,难免与实际存在不符.提出了基于一维垂直渗流控制方程差分求解及非饱和渗透性试验联合确定非饱和土渗透系数的新方法.首先利用有限差分法对一维垂直渗流控制方程进行离散,获得基于差分格式的非饱和土渗透系数表达式;然后通过试验获得土样饱和渗透系数、土水特征曲线以及不同位置处体积含水量随时间变化的关系曲线,通过Matlab编程将以上各参数代入离散后的差分格式,即可得到非饱和土渗透系数随含水量的变化值.将该方法得到的渗透系数与VG模型求出的渗透系数进行对比,两者误差较小,说明本文提出的确定非饱和土渗透系数的新方法具有一定的可靠性.     

海洋环境中考虑温湿传导耦合的氯离子渗透模型

针对海洋环境中混凝土构件遭受氯离子侵蚀过程的复杂性!完善考虑温湿传导耦合的氯离子渗透模型。该模型的控制方程以及各项参数均充分体现了侵蚀过程中热量传导、水分扩散以及氯离子渗透的交互影响，并根据与侵蚀性海水的接触程度不同区分了四种温湿一氯 离子表面浓度的边界条件，提出了一套依据区域宏观环境信息确定局部微环境的方法，从而实现了对该过程的多参数仿真模拟。通过试验实测数据对模型进行了验证，对比模型分析结果与试验数据发现两者吻合度很高，并证实了处于潮汐影响区的混凝土是遭受氯离子侵蚀最显 著的部位。     

饱和开裂混凝土氯离子二维扩散的数值模拟

对饱和状态下开裂混凝土裂缝附近区域氯离子的二维扩散进行了数值模拟.以Fick第二扩散定律(FSDL)修正模型及二维氯离子扩散理论模型为基础,建立了开裂混凝土氯离子扩散有限差分数值模型,并编制了计算程序.通过与试验结果的对比,证明了模型的有效性.利用建立的模型分析了裂缝、水胶比、衰减系数和时间因素对氯离子扩散的影响,提出了裂缝影响区的概念.在裂缝影响区内,氯离子呈二维扩散,在其外,氯离子呈一维扩散;在时间上,氯离子扩散存在快速期、过渡期与缓慢期;从长期来看,裂缝深度对氯离子的扩散影响显著,而裂缝宽度几乎对其无影响.     

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.     

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。     

考虑对流条件下氯离子在混凝土中的输运计算

将氯离子在混凝土中的输运区分为对流-扩散耦合区和扩散区,分别采用分离变量法和变量代换法对耦合区和扩散区氯离子输运进行求解,得到对流作用条件下氯离子在混凝土中输运的解析解.通过对耦合区解答稳定性分析确定了耦合区氯离子计算参数取值范围:叠加项n≥100,耦合区氯离子影响深度l≥1 000mm.算例分析表明,在对流作用条件下,对流深度、渗流速率和C0(初始自由氯离子质量与混凝土质量比)与C(混凝土中自由氯离子质量与混凝土质量比)累积呈正相关,但随计算时间增大,对流深度和渗流速率增大时,C差异增大,而C0增大时,C差异变小.通过对38年的对流区混凝土中C的拟合验证了计算模型的准确性.     

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.     

考虑线性分布应力影响的混凝土氯离子侵蚀模型

基于氯离子扩散系数与结构应力服从多项式函数关系的假定以及Fick第二定律,通过边界条件的奇延拓和扩散方程的傅里叶变换推导建立综合考虑结构截面线性分布应力的混凝土氯离子侵蚀模型,并给出其求解流程以及相关参数的确定方法,进一步结合既有混凝土氯离子侵蚀试验数据进行实例验证和对比分析。研究结果表明:所建立的氯离子侵蚀模型能够反映结构截面线性分布应力对氯离子扩散的影响,特别是在浅层区,计算的氯离子质量分数与既有成果较吻合,且更接近于试验值,模型是可靠的。     

考虑钢筋阻滞效应的近海环境中混凝土内钢筋初锈时间预测

为探讨氯离子扩散进程中钢筋的阻滞效应,利用交替隐式有限差分方法实现了钢筋混凝土中氯离子二维浓度场的求解,研究了钢筋直径、保护层厚度、混凝土表面氯离子浓度等因素对混凝土内部自由氯离子扩散进程的影响,探讨了钢筋阻滞效应对腐蚀速率、钢筋脱钝时间和混凝土保护层开裂时间的影响.结果表明:受钢筋阻滞效应的影响,氯离子更多地聚集于靠近氯离子自由边界一侧的钢筋表面附近,且这种聚集效应随着钢筋直径和保护层厚度的增大越发显著,但随着扩散时间的延长,氯离子的聚集现象逐渐减弱;钢筋的阻滞效应对其锈蚀速率影响显著,同等条件下钢筋阻滞效应将使钢筋脱钝时间缩短28%,混凝土保护层开裂时间缩短22%.     

非线性对流占优扩散方程的一种基于斜线性插值的特征差分算法

目的建立既简单,稳定性又好的求解非线性对流扩散方程的数值算法。方法采用斜线性插值,将特征线法和有限差分法相结合。结果给出了一种基于斜线性插值的特征差分格式。结论该算法适用于求解变系数的对流占优扩散方程,能更有效地消除数值震荡现象     

混凝土氯离子扩散理论模型

回顾了混凝土氯离子扩散理论模型研究的基本进展,指出了混凝土氯离子扩散研究中存在的问题:材料非均质性、有限大体、多维扩散、可变扩散系数与可变边界条件、结构微缺陷对扩散的加速作用、氯离子结合能力及其非线性等.针对多个暴露面的有限大长方体的氯离子扩散,引进了氯离子扩散的劣化效应系数和时间依赖性常数,提出了线性氯离子结合能力及其非线性系数,采用幂函数和指数函数修正了时间边界函数,系统地解决了混凝土的氯离子扩散理论问题.经过严密的数学推导,在理论上得到了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结构微缺陷影响的混凝土氯离子扩散新方程.结果表明,混凝土氯离子扩散新方程的简化表达式与Fick第二扩散定律在形式上完全一致.