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.     

干湿循环下受弯钢筋混凝土梁的氯盐侵蚀

为探究弯曲荷载对干湿交替环境下钢筋混凝土梁内氯离子输运的影响,引入混凝土标量损伤作为耦合中间量,并拟合氯离子的荷载修正函数修正不同损伤部位的氯离子扩散系数,建立干湿循环与弯曲荷载耦合作用下混凝土梁中的氯盐和水分的输运模型。在此基础上,基于COMSOL软件,提出一种混凝土中氯盐侵蚀的数值模拟方法,并以弯曲荷载、侵蚀时间为变量,进行干湿循环试验验证。研究结果表明:随着弯曲荷载、侵蚀时间增加,混凝土梁内同一位置处的氯离子质量分数提高;对于同一试验梁,纯弯段氯离子质量分数比弯剪段的高;弯曲荷载影响构件的损伤范围和程度,进而影响氯离子在混凝土内的传输。     

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.     

广州地区城市地下混凝土结构临界氯离子含量研究

主要针对广州地下混凝土结构侵蚀环境特点,进行氯离子侵蚀的快速腐蚀模拟实验.实验研究表明:较小的水与灰质量比和适量粉煤灰的掺入增加混凝土氯离子吸附能力,较大的保护层厚度、较小的水与灰质量比和掺粉煤灰降低混凝土的电流强度和延长电流稳定时间.同时微观结构分析显示氯盐腐蚀造成钢筋表层混凝土膨胀,结构出现膨胀劣化.通过氯离子侵蚀下锈蚀模拟实验与工程调查验证分析,推荐广州地区城市地下混凝土结构受氯离子侵蚀钢筋表面临界氯离子含量为0.04％～0.05％(质量分数),该值考虑混凝土对氯离子的结合及吸附的影响,为地区地下混凝土结构氯离子侵蚀寿命预测提供了参考.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

考虑地方气候时氯盐侵蚀混凝土结构寿命研究

针对在气候环境和氯盐侵蚀共同作用下沿海混凝土结构诱导期寿命进行研究。基于现有混凝土结构氯盐寿命模型,同时考虑气候环境温度、相对湿度影响,分析了我国东南沿海部分城市混凝土结构诱导期寿命;并利用简单可靠度理论计算我国东南沿海部分城市混凝土结构诱导期寿命的概率分布。研究结果表明:1地方气候相对湿度对诱导期寿命影响不容忽视;2对诱导期寿命影响较明显的因素有:相对湿度影响系数f(h)、氯离子扩散延迟系数m、氯离子参考扩散系数Dref和混凝土保护层厚度X。研究成果对混凝土结构加固、维护、剩余寿命预测具有参考作用。     

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。     

氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下保温混凝土的耐久性

通过混凝土抗冻性能试验,对保温混凝土(TIC)进行氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的耐久性能研究。本文以质量分数3.5%的氯化钠溶液为冻融介质,对保温混凝土的相对动弹性模量、质量损失率、抗压强度、劈裂抗拉强度及氯离子侵蚀情况进行了测试分析。结果表明:氯盐侵蚀加剧了冻融循环的破坏程度,250次冻融循环后TIC的相对动弹性模量降低至60%以下。随着冻融循环次数的增加,TIC的抗压强度和劈裂抗拉强度与冻融次数呈线性关系。氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下,TIC中氯离子扩散规律满足Fick第二定律。     

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.     

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.     

浅谈钢筋混凝土结构的耐久性

本文介绍了结构使用寿命的影响因素,指出结构的外界环境是引起耐久性损伤的主要原因。从氯离子侵蚀钢筋的角度透视环境是如何影响钢筋混凝土结构的正常工作的,具体讨论了氯离子的来源、侵入途径、与碳化的关系以及对特殊的建筑结构氯盐侵蚀的分析,另外对混凝土锈胀开裂模型提出一些见解。     

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。     

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.     

人工气候模拟海洋大气盐雾区的加速试验设计

在海洋大气盐雾环境下,氯离子侵蚀是混凝土结构耐久性退化的主要原因。为了解决该环境下混凝土结构耐久性试验的相似性问题,以海洋环境中混凝土受氯盐侵蚀的实际工程为背景,在简述盐雾侵蚀机理的基础上,分析了大气盐雾区的现场环境参数（盐雾沉降率、雾粒直径、温度、湿度和干湿时间比等）。通过对现场环境参数的模拟和改变来提高氯盐侵蚀速度以制定加速试验方案。     

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.     

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。