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.     

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.     

氯离子侵蚀混凝土及细观参数影响的近场动力学模拟

为了研究混凝土细观参数对氯离子扩散过程的影响,建立了饱和混凝土中氯离子扩散的近场动力学细观模型.该模型采用氯离子浓度的积分代替经典局部模型中的浓度空间微分,使用"键"将氯离子从一个材料点输运到另一个材料点.通过与有限元模型计算结果进行对比,验证了模型的可行性和有效性;讨论了骨料分布、骨料体积分数、骨料级配、界面过渡区(ITZ)厚度和ITZ扩散系数等细观参数对氯离子扩散过程的影响.结果表明:骨料分布对氯离子扩散过程的影响可忽略;随着骨料体积分数的增加,氯离子扩散速度先减小后增大;而骨料级配与氯离子扩散速度没有明显相关度.同时,随着ITZ厚度和ITZ扩散系数的增加,氯离子扩散速度小幅增加.     

混凝土中氯离子三维扩散模型及参数拟合

提出了基于ANSYS有限元分析和试验实测数据拟合的混凝土中氯离子三维非稳态扩散模型.该模型可以模拟混凝土与海水接触表面氯离子随时间变化的累积效应、氯离子扩散系数随时间和氯离子浓度的变化,以及氯离子反应率对扩散的影响.根据非稳态扩散方程与导热方程的相似性,用ANSYS有限元软件参数化设计语言编程方法,实现了数值模拟分析;利用ANSYS的优化设计功能,以有限元数值计算结果与实测数据的误差平方和最小为优化目标,拟合氯离子扩散试验的实测数据,得到数值模拟所需的模型参数.计算表明:模型能比较好地拟合长期海洋环境暴露试验的实测数据,为海洋环境中使用的混凝土结构的耐久性设计提供参考依据.     

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。     

一类反应扩散方程的边界积分方程

应用广义函数的 Fourier积分变换导出一类反应扩散方程的基本解 ,在此基础上得到边界积分方程 ,消除了边界元计算中边界积分方程的区域积分项。     

基于等几何-边界元法的热弹性力学问题分析

温度变化引起的固体热应力问题一直是影响固体材料寿命的重要因素之一.边界元方法利用边界积分代替域积分,对复杂问题的降维处理大大降低了计算复杂度.利用非均匀有理B样条曲线(NURBS)构建计算模型边界,采用等几何思想进行单元划分,从而克服了单元离散造成的几何误差.由于热应力的存在,导致构造的等几何边界积分方程里含有域积分项,采用径向基函数法将该域积分转化成边界积分,以充分发挥等几何边界元法的降维计算优势.模型验算表明,该计算方法比传统边界元方法更加可靠.     

瞬态热传导问题的精细积分边界元法

对于三维瞬态热传导问题,在考虑内部热源的情况下,采用双重互易边界元法(DRBEM)结合精细积分法(PIM)进行求解。该方法根据含有内部热源的各向同性介质瞬态常系数热传导问题的控制方程,通过加权余量法推导出相应的边界积分方程,然后用双互易法(DRM)处理得到的边界积分方程,将热源项和温度关于时间导数项引起的域积分通过径向基函数(RBF)逼近后转化为边界积分。之后将边界积分方程离散,得到与时间相关的一阶常系数微分方程组,最后,在获得解析解的过程中,通过PIM处理其中的矩阵指数函数(MEF)。通过三个数值算例来验证该方法的准确性和稳定性。     

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.     

基于径向积分边界单元法的内场声学分析

由于Helmholtz方程的基本解是频率的函数,传统边界单元法在处理声场特征值问题时具有天生的缺陷.采用Laplace方程基本解生成积分方程,通过径向积分法将在此过程中产生的域积分项转化为边界积分.此方法克服了传统边界单元法系数矩阵对频率的依赖,同时克服了特解积分法和双重互易法对特解的依赖,将内场声学特征值问题转化为广义特征值问题.最后通过内场声辐射分析和声学特征值分析验证了算法的有效性.     

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.     

氯离子侵蚀下钢筋混凝土非线性锈胀破坏过程模拟

钢筋锈胀破坏会显著改变氯离子在混凝土中的输运通道,氯离子侵入与锈胀致裂是相互加强的非线性过程.围绕这一非线性破坏过程开展了数值模拟方法研究,建立了氯离子扩散与钢筋锈胀破坏间的耦合分析方法,并基于商业软件ABAQUS平台,通过二次开发,高效地实现了这一非线性模拟过程.利用文献中的试验数据,验证了所建立方法的有效性.模拟结果表明:是否考虑氯离子扩散与锈胀损伤破坏间的耦合过程,对钢筋混凝土结构使用状态的评估结果影响显著,且耦合分析预测结果更为精确.     

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.     

冻融和碳化作用对混凝土氯离子侵蚀的影响

对4种不同配比混凝土先后进行冻融循环(0,50,150次)、加速碳化(0,1,2星期)和氯离子侵蚀,以研究冻融、碳化作用对混凝土氯离子侵蚀的影响.通过压汞法和选择电极法分别测定不同作用后混凝土的孔径分布和氯离子含量及其毛细吸收变化情况.结果表明:冻融循环增大混凝土孔隙率,作为混凝土损伤的动力源,为氯离子侵蚀创造更为有利的条件;冻融次数越多,造成的氯离子侵蚀越严重;碳化反应破坏混凝土基体原有的过滤机制,并促进Friedel盐分解,使氯离子含量增多;冻融与碳化均不同程度增大混凝土毛细吸水性能,两者共同作用较单独作用时的氯离子侵蚀严重得多.对混凝土结构进行耐久性设计和使用寿命预测时,必须考虑和引进冻融、碳化及其他因素的复合作用.     

寿命期内钢筋混凝土连续梁体系可靠度分析

建立了一种基于概率和有限元的寿命期内钢筋混凝土桥梁性能演变分析方法.在重点解决材料力学性能退化、截面面积削弱以及结构整体力学性能演变等问题数值模拟方法的基础上编写了耐久性分析程序CBDAS;根据现有研究成果建议了结构性能演变分析中出现的主要随机变量的统计参数;结合CBDAS和Monte-Carlo模拟建立了钢筋混凝土桥梁时变体系可靠度分析方法.最后,以一座钢筋混凝土连续梁为对象,利用时变体系可靠度研究其在氯离子侵蚀作用下寿命期内的结构性能演变规律.     

混凝土抗氯离子渗透性试验方法

为配合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBJ82-85)的修订,促进对混凝土抗氯离子渗透性试验方法的了解与交流,对国内外混凝土抗氯离子渗透性试验方法及标准进行了充分的调研.详细调查了国内外混凝土抗氯离子渗透性试验方法和测试技术的标准规范,比较了各种试验方法或测试技术的原理和适用范围,并分析了各种试验方法的优缺点.混凝土的抗氯离子渗透性是其耐久性的重要指标之一,建议在《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中补充混凝土抗氯离子渗透性试验方法.     

材料耐久性退化数学模型的比较研究

材料耐久性退化数学模型主要集中在混凝土碳化、氯离子侵蚀和钢筋锈蚀,目前,对这三个方面退化数学模型的归纳和总结多以横向研究为主,为了实现混凝土桥梁耐久性全过程分析的目标,从纵向的研究角度出发,首先给出混凝土桥梁耐久性全过程分析的两条退化主线:混凝土碳化-钢筋锈蚀-结构整体性能退化、氯离子侵蚀-钢筋锈蚀-结构整体性能退化;然后针对第一条退化主线详细介绍了现有的两种较完备的退化模型,并对其进行了比较分析,结果表明:评定标准中的退化模型概念清晰,参数相对较少,更适合用于混凝土桥梁耐久性全过程分析.     

海工混凝土抗冻性和氯离子渗透性综合评价方法

综合研究了国内外混凝土耐久性的评价方法,提出了采用一个指标评价混凝土抗冻-抗氯离子渗透综合性能的方法,冻渗性或R值评价方法;给出了R值的数学表达式,用抗冻耐久性指数(DF)和氯离子扩散系数(DNEL)试验值做变量,DF做冻渗性临界破坏的判定值,R值是二者的比值计算结果;讨论分析了R值评价方法的合理性和物理意义,确定了参数的取值范围和评价涵义。所建立的评价方法可以较好地综合评价认识海洋环境下混凝土抗冻性和抗氯离子渗透性的优劣。     

胶凝材料组成对钢筋混凝土耐久性的影响

利用电化学阻抗法和压汞法等研究了外渗氯盐条件下胶凝材料组成对钢筋混凝土耐久性的影响,结果表明:随胶凝材料中粉煤灰或矿渣含量的提高,钢筋混凝土耐久性、混凝土电阻率和钢筋电荷转移电阻先增加后减少,钢筋腐蚀速率则先减少后增加;氯离子临界浓度随钢筋周围溶解氧含量的提高及Ca(OH)2含量的降低而降低;掺合料取代部分水泥后提高了混凝土的致密性,增大了电荷转移电阻,提高了钝化膜的稳定性,同时会降低混凝土内的Ca(OH)2含量,引起氯离子临界浓度下降.     

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．