Numerical Analysis of Moisture Influential Depth in Concrete and Its Application in Durability Design

Determining the moisture influential depth in concrete under drying-wetting cycles is of great interest for investigation of chloride ion transport and thus the initiation of reinforcement corrosion. In this paper, the moisture transport processes during drying and wetting are modeled by diffusion and absorption. A predictor-corrector implicit scheme of finite difference method is used to solve the partial differential equations. The stability of moisture influential depth is then analyzed with the available numerical tool for both initially saturate and unsaturated concretes. The concept of equilibrium time ratio is proposed for drying-wetting cycles by the balance between water loss and intake during drying and wetting. According to this time ratio, drying-wetting cycles are classified into drying-dominated, wetting-dominated, and equilibrium ones. For drying-dominated cycles, the drying front will penetrate gradually into material while the influential depth is determined by wetting; for wetting-dominated cycles, the wetting front will progress into material while the influential depth is determined by drying. This classification has strong engineering implication and can give a more rational division of convection and diffusion zones of chloride ion transport. The case of concrete in marine splash zone is investigated to illustrate the application of influential depth in durability design of concrete structures.     

等温条件下混凝土质扩散系数研究

混凝土的质扩散系数（Dm）是混凝土材料的一种湿物性，它反映混凝土内部的湿份在空间上趋于均匀的能力。在混凝土温度保持不变的条件下，混凝土质扩散系数取决于材料的微观孔隙结构、初始含湿量的大小及其在空间上分布的均匀性。对同一种混凝土材料而言，混凝土质扩散系数强烈地依赖于混凝土内部的初始含湿率。本首先从湿度扩散矩的概念上论证了混凝土的质扩散系统与其平均值（Dm）的关系；接着研究平均质扩散系数代替质扩散系数以后，混凝土湿度场的变化趋势；最后讨论了两种不同质扩散系数下混凝土干缩速度、干缩应变、非均匀干缩引起的约束应力等。以北方地区拆模后的大体积混凝土为例，计算了混凝土表面最大干燥应力与干燥深度，其成果可以为混凝土表面保护设计提供参考。     

竖向应力及干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线是描述非饱和土水力特性的重要参数之一。本文利用非饱和土固结仪对2组5个压实非饱和黄土试样进行土-水特征试验,研究了不同的竖向应力和干湿循环对压实非饱和黄土土-水特征曲线的影响。试验表明,随着竖向应力的增大,压实黄土的进气值和脱湿率逐渐增大;在一个干湿循环中,同一基质吸力下脱湿曲线所对应的含水率大于增湿曲线所对应的含水率,脱湿率大于增湿率;第2次干湿循环所产生的滞回圈大小小于第1次干湿循环;滞回圈大小随竖向应力的变化而变化。     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。     

Mathematical Model for the Continuous Vacuum Drying

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆａｐｒｏｐｅｒｄｒｙｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｄｒｙ ｉｎｇｏｆｈｉｇｈｌｙｖｉｓｃｏｕｓａｎｄｈｅａｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｏｏｄｓ.Ｖａｃｕｕｍｄｒｙｉｎｇｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓａｓｕｉｔａｂｌｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｒｙｉｎｇｏｆｓｕｃｈｍａｔｅｒｉａｌｓ .Ａｃ ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｅｖｅｒａｌｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｐｏｒｔｓｂｙＮｏｔｔｅｒ,ＢｒｅｋｋｅａｎｄＴａｙｌｏｒ,ｉｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｐｒｏｄｕｃｔｓｗｈｉｃ…     

高含湿低强度太阳能对流干燥过程的传热传质特征

在研究Luikov‘s热湿迁移基础上,在低强度和高含湿量的条件下,建立 了一个一维无限大平板太阳能对流干燥的热湿迁移数学模型,数值模拟了太阳能的干燥过程,同时,使用太阳能温室型集热器对流干燥装置对泡沫塑料进行连续干燥实验,所测温度和含湿量随时间的变化规律与计算结果相一致,表明这个理论模型是正确的。     

垂直一维入渗土壤水分分布与入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立垂直一维入渗土壤水分运动的数学模型,并用SWMS-2D软件进行求解,利用室内试验对模拟结果进行分析验证,模拟值与实测值基本吻合,所建模型合理.用所建模型和方法对一定灌水技术要素组合下土壤水分分布和入渗特性进行数值模拟,结果表明:土壤质地、容重、初始含水率和灌溉水深对土壤水分分布模式影响微弱.土壤质地和容重对土壤含水率变化和累积入渗量影响较大,入渗水头和土壤初始含水率对土壤含水率变化和累积入渗量影响较小.     

薄层介质干燥过程内部水分扩散

以海带作为薄层介质的试样，进行对流干燥实验．根据单项指数模型，计算干燥过程中介质内部水分的有效扩散系数．建立物料内水分扩散微分方程及边界条件，用有限差分法进行数值求解，模拟计算结果与实验结果相吻合．研究结果有利于深入分析和理解物科的干燥特性，以及其在一定条件下的脱水能力．     

粉煤灰品质对混凝土性能影响研究

研究掺低钙、高钙粉煤灰对结构混凝土坍落度、抗压强度、混凝土碳化、氯离子扩散系数、干湿循环破坏等性能的影响.研究表明低钙、高钙粉煤灰对混凝土坍落度没有影响,在相同的养护龄期里掺高钙粉煤灰的混凝土抗压强度大于低钙粉煤灰混凝土.掺加低钙、高钙粉煤灰对混凝土碳化、氯离子扩散系数、干湿循环破坏有影响,掺加低钙粉煤灰混凝土具有比掺高钙粉煤灰混凝土更大碳化深度,掺低钙、高钙粉煤灰对混凝土氯离子扩散系数影响不明显,在干湿循环初始阶段掺低钙粉煤灰混凝土抗压强度、相对动弹性模量增加程度大于掺高钙粉煤灰混凝土增加程度,干湿循环超过30次后高钙粉煤灰混凝土抗压强度、相对动弹性模量劣化增加程度小于低钙粉煤灰混凝土抗压强度劣化损伤增加程度.     

非饱和黄土场地水分入渗规律及影响因素的现场试验与数值模拟

为了探究非饱和黄土场地水分入渗规律及其影响因素,为黄土地区因水分入渗作用导致的各类滑坡和工程地质灾害研究提供参考。在非饱和黄土场地现场开展水分入渗试验,获得不同深度水分计监测信息,探讨非饱和黄土场地水分运移规律;结合数值模拟扩展研究不同浸水类型及不同浸水量对水分入渗规律的影响。结果表明：不同深度土体的体积含水率随时间关系曲线呈现出四个阶段变化特征,区别在于各阶段时间的长短和体积含水量峰值的大小;非饱和入渗时,渗透扩散速率随着深度的增加逐渐衰减,且衰减速率较大;不同浸水类型的入渗深度及宽度在短时间内会存在差异,对最终入渗深度及宽度并没有影响;随着浸水量的增加,入渗深度和宽度不断增加,但增加幅度不断减小,非饱和黄土场地水分入渗深度及宽度是有限的。     

高效减水剂对结构混凝土长期性能影响

研究了聚羧酸(PCA)、高浓、低浓萘系(H-PNS,L-PNS)3种高效减水剂对混凝土浆体初始流动度、抗压强度及碳化、氯离子渗透扩散系数、干湿循环破坏性能影响.结果表明,PCA高效减水剂与H-PNS,L-PNS高效减水剂相比,具有掺量低、混凝土坍落度保持性好、早期强度发展快的特点.掺加3种高效减水剂混凝土中,相同碳化时间里,掺加L-PNS减水剂混凝土碳化深度>掺加H-PNS减水剂混凝土碳化深度>掺加PCA减水剂混凝土碳化深度,掺加L-PNS减水剂的混凝土氯离子渗透扩散系数>掺加H-PNS减水剂的混凝土氯离子渗透扩散系数>掺加PCA减水剂的混凝土氯离子渗透扩散系数.掺加3种高效减水剂的混凝土受干湿循环劣化损伤(相对抗压强度比、相对动弹性模量、质量损失)影响不大.     

黄土高原地区中小尺度分布式水文模型

在考虑了降雨和地形特性基础上开发研究了适用于干旱半干旱地区的中小尺度分布式水文模型(THIHMS-SW),依据黄土高原水土保持措施的建设原则,将土壤表层离散为不等厚的数层进行饱和非饱和土壤水分运动数值计算。采用所建模型,对相对天然状态下的岔巴沟流域进行了连续3a的模拟计算。除个别洪峰及较小流域外,得出的模拟计算效果在整个流域范围内均较好,相关系数达到0.84,Nash效率系数达到0.70,峰现时间及最大洪峰流量都得到较好再现。结果表明,模型在黄土高原地区具有较好的适用性。     

混凝土水灰质量比与其早期收缩关系的研究

研究早龄期收缩对于解决混凝土工程,尤其是高性能混凝土的早期开裂具有重要意义.采用新研制的非接触式微位移传感器法对不同水灰质量比的混凝土从成型6 h到3 d龄期内的自收缩、单面干燥条件下的总收缩进行测量,同时监测混凝土试件内部温度变化.结果表明:随着水灰质量比的降低,混凝土的自收缩、干燥条件下的总收缩及自收缩在总收缩中所占比例都明显增加,早期自收缩与水灰质量比的关系呈二次曲线关系;当水灰质量比较低时,早龄期的混凝土因表面干燥引起的水分散失会在一定程度上阻碍水泥水化进程,因而这时的总收缩并不是干燥收缩与自收缩的简单叠加.     

超声场作用下污泥对流干燥过程的数值模拟

为了有效预测超声场作用下污泥对流干燥过程中内部湿分迁移规律,基于非平衡态热力学理论,建立了超声场与热风联合作用下污泥对流干燥热质传递过程的数学模型.模型中考虑了超声作用对污泥孔隙率、渗透率及湿扩散速率的影响,以及污泥内部声压梯度引起的物料液相湿分渗流.对不同超声声能密度及对流温度作用下污泥内部湿度场分布进行数值模拟.模拟结果表明,超声作用有效加速了污泥干燥的湿分迁移速率,且当超声作用密度与热风温度、风速等外部传质条件相匹配时,才能发挥超声作用的最佳强化能力,达到最优的干燥效率.     

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.     

干湿循环条件混凝土内氯离子输运试验拟合与分析

为了进一步揭示干湿循环条件下氯离子在混凝土中的输运机理,对比分析全浸泡和干湿循环两种条件下的已有试验数据,分开考虑浓度扩散作用和孔隙吸附作用,对混凝土内氯浓度的分布与侵入深度和侵蚀时间的关系进行拟合,得到氯离子浓度随时间和深度变化的经验公式.比较不同水灰比及掺粉煤灰混凝土的试验数据与公式计算数据,拟合情况较好.该式在传统扩散模型基础上引入了孔吸附作用,更符合工程实际多种因素共同作用的情况.     

土壤热湿迁移实验与数值模拟的研究

对蒸发状况下土壤中的热湿迁移进行了实验研究,同时也对相应条件作了数值模拟,所得结果能够相互验证．在此基础上阐述了土壤中热湿迁移的一般规律．     

玉米低温干燥的数学模拟

建立了一个玉米低温干燥的数学模拟程序，主要包括传热传质和霉变两部分。模拟的基本方法即将深床谷物等分为一系列薄层，将干燥时间等分为一系列时间间隔。同时在纯平衡模型的基础上，引入了薄层干燥与薄层湿化方程，考虑谷物与气流间的状态不平衡；引入吸湿平衡含水的质量分数方程，以考虑解析与吸湿间的滞后效应。模拟结果表明，该程序基本有效。     

混凝土热湿耦合数值计算中的参数拟合

为了更深入地研究混凝土中的湿度和温度场,根据多相体系非连续介质中的热湿耦合传导理论对混凝土的热湿状态和耦合传导进行了研究。使用高精度电容湿度测量仪器对混凝土预留孔中的空气含湿饱和度进行测量,发现测量值与混凝土相对含湿率在相对含湿率大于0.85小于1.0时存在线性关系,进而拟合了热湿耦合方程中的物理参数。耦合计算结果表明,这种拟合参数的物理意义明确、确定参数简便、数值稳定性好,为混凝土温湿度场计算提供了一种新的方法。     

路面结构新型排水系统性能及影响参数分析

路面结构中存在水分将会影响道路基层与路基土体的性能，造成土体弹性模量降低、承载能力减弱。随着时间的推移和路面车辆荷载的作用，路面结构将出现不同程度的破坏，例如开裂、车辙、坑洼、不均匀沉降等，因此需排除路面结构中存在的水分。传统的路面排水措施主要有：（1）路面侧边沟排水；（2）碎石排水基层排水；（3）采用土工织物进行排水。然而传统的排水措施仅限于在土体饱和条件下排除水分，在实际环境中道路基层与路基常常处于非饱和状态下，从而提出要在非饱和条件下排水的新技术。基于非饱和渗流理论，提出采用复合土工合成排水材料的新型路面排水系统，该系统由三部分组成，从上而下依次为水力传导层、毛细防渗层和隔离层。开展了新型路面排水系统模型试验、数值模拟以及参数分析，来研究降雨入渗条件下新型路面排水系统性能及影响参数。室内模型试验采用自制模型箱，通过控制自来水管水流速来模拟降雨，配合埋藏在土层中张力计和含水量监测仪，实时监测基层与路基中基质吸力和含水率；数值模拟建立与室内模型相同大小的数值模型，在相同降雨边界条件下监测基层与路基中基质吸力和含水率的变化规律；参数分析采用控制变量的方法，分别分析了Van Genuchte参数“a”、土工织物饱和渗透系数k_s、土工织物厚度k_t对水力传导层排水能力的影响。研究结果表明：新型路面排水系统可将入渗水快速有效排除，基层材料在试验过程始终处于非饱和状态，并在降雨停止后第10min基层的基质吸力开始回升；新型路面排水系统能够防止水下渗至路基， 降雨过程中路基土的吸力始终保持在初始吸力值；采用新型路面排水系统时，基层体积含水率在降雨过程中不断上升但未达到饱和体积含水率，路基体积含水率则保持不变；土工织物参数“a”值与饱和渗透系数对毛细屏障作用的影响较显著，随着“a”值和饱和渗透系数的增大，土工织物与土体接触面形成的毛细屏障越弱、排水越快，但当“a”值过大则无法发挥阻挡水流渗入路基的作用，结合数值结果以及其他文献研究建议“a”值取10kPa左右，饱和渗透系数取0.01~0.1m/s范围；而土工织物厚度改变对毛细屏障作用并不显著，结合实际制造工艺建议土工织物厚度取10~15mm为宜。