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.     

基于修正扩散方程的混凝土结构耐久寿命敏感性分析

在Fick扩散定律的基础上,综合考虑多因素后,建立了修正的氯离子扩散模型,并对此进行了耐久寿命的敏感性分析,基于各参数的统计特征,进行了耐久寿命的Monte-Carlo仿真模拟.研究结果表明,氯离子扩散系数、保护层厚度、表面氯离子浓度、临界氯离子浓度均对混凝土结构的耐久寿命有显著的影响.在工程中应重视这些影响因素的统计特性,提高结构耐久寿命预测的精度和准确性,更好地为混凝土结构的维护和管理服务.     

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.     

混凝土裂缝宽度和深度对裂缝表面碳化的影响

为研究混凝土裂缝宽度和深度对裂缝表面混凝土碳化的影响,制作了带裂缝的钢筋混凝土试件并进行了碳化试验研究。研究采用碳化时未开裂的试件、裂缝近似贯通的试件、裂缝未贯通的试件的横断面,其中裂缝近似贯通试件、裂缝未贯通试件的横断面即为裂缝开裂断面。对于裂缝近似贯通和未贯通的试件,通过对比裂缝的宽度、深度和裂缝表面混凝土的碳化情况,并与未开裂试件断面混凝土碳化情况进行对比分析。研究结果表明,裂缝宽度对于混凝土裂缝表面的碳化几乎没有影响,表面碳化主要与裂缝深度有关。本文对混凝土开裂部位的耐久性研究仅以裂缝表面宽度为依据进行的方法提出了不同看法,建议将混凝土裂缝宽度和深度列为同等重要的研究依据。     

基于氯离子时变扩散钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度研究

基于氯离子Fick扩散定理和法拉第定律,通过研发的四电极传感器体系获得含氯离子混凝土模拟液中腐蚀电流密度规律以及混凝土中氯离子时变扩散系数,建立氯离子时变扩散钢筋腐蚀速率模型;在此基础上基于弹性断裂力学和坑蚀模型,建立坑蚀锈胀裂缝时变可靠度模型,采用Monte Carlo方法求得钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度.研究表明,基于研发的MnO2参比电极四电极传感器体系平均腐蚀电流密度随氯离子浓度增加而线性增加,随时间增加趋于恒定.采用考虑氯离子时变扩散钢筋腐蚀电流在服役期间钢筋腐蚀电流密度减小.坑蚀锈胀裂缝开始时间在第10~15年;随保护层厚度和钢筋直径增加以及表面氯离子浓度减小,钢筋混凝土坑蚀裂缝宽度减小.研究结果对氯离子诱发的钢筋混凝土坑蚀腐蚀裂可靠度预测具有重要的参考价值.     

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.     

海洋环境下裂缝混凝土氯盐腐蚀

研究劈裂裂缝混凝土在海水全浸区和潮汐区作用下的氯盐腐蚀规律。试验结果表明:裂缝混凝土在海水全浸区和潮汐区氯盐腐蚀规律相似,氯离子含量由表及里随深度增加而下降,后在8~12 mm深度以内形成稳定段。但潮汐区混凝土的氯离子扩散系数比海水全浸区服役的裂缝混凝土的大。裂缝混凝土稳定段氯离子含量随裂缝宽度增加而呈指数函数增加,裂缝周边区域稳定段氯离子含量则随裂缝宽度增加而呈二次函数增加。相比海水全浸区腐蚀,潮汐区裂缝宽度对混凝土中氯离子传输影响更大。依据数据拟合回归,当潮汐区混凝土裂缝宽度为0.265和0.480 mm时,海水全浸区混凝土裂缝宽度为0.292和1.200 mm时,裂缝左右5 mm区域和30 mm区域的氯离子扩散系数提高一个数量级。     

既有混凝土码头的时变氯离子扩散过程

为了研究不同暴露环境(大气区、潮差区和浪溅区)对氯离子在混凝土中传输的影响,以及氯离子扩散过程的时变特性,对北部湾某码头的混凝土现场耐久性进行了检测,得到了不同深度混凝土试样的自由氯离子浓度.结果表明,在同一侵蚀深度,浪溅区的氯离子浓度最大,潮差区的次之,大气区的最小,拟合得到的表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数亦表现出了相同特性;浪溅区是影响临海钢筋混凝土结构耐久性的最不利暴露环境;氯离子扩散系数随侵蚀时间递减,时间参数为服从正态分布的随机变量,大气区、潮差区和浪溅区时间参数的均值分别为0.19,0.36和0.43;在钢筋混凝土结构的耐久性分析中应考虑氯离子扩散系数的时变特性.     

氯离子侵蚀钢筋混凝土管桩的使用寿命预测

基于氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀机理,将钢筋混凝土管桩的使用寿命分为2个阶段,锈蚀初始阶段和裂缝扩展阶段.依据Fick第二定律和Faraday定律,分别建立了氯离子在钢筋混凝土管桩中的扩散方程和氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀模型,通过确定临界氯离子浓度和钢筋临界锈蚀深度,分别对锈蚀初始阶段时间和裂缝扩展阶段时间进行了预测.并在此基础上,进一步分析了表面氯离子浓度、扩散系数、保护层厚度、钢筋直径、体积膨胀率以及抗拉强度与弹性模量的比值等因素对钢筋混凝土管桩使用寿命的影响.分析结果表明,随着表面氯离子浓度、扩散系数、钢筋直径和体积膨胀率的增大,管桩的使用寿命减小;随着保护层厚度和抗拉强度与弹性模量的比值的增大,管桩的使用寿命增大.     

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.