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.     

基于内部湿度试验的早龄期混凝土水分扩散系数求解

为了求解干燥条件下混凝土内部水分分布,提出了一种早龄期混凝土水分扩散系数的求解方法。试验测定混凝土内部相对湿度随时间的变化,求解水汽扩散的非线性方程,获得了干燥过程中混凝土水分扩散系数与相对湿度(或水分含量)的数量关系。计算结果证明:水分扩散系数随含水量的增加而非线性增大;相对湿度90%以上时扩散系数随湿度变化显著,90%~40%时扩散系数随湿度变化趋缓,40%以下时基本不变。     

不同介质冻融对高强混凝土的损伤及抗氯盐侵蚀性的影响

为研究不同介质条件对高强度混凝土冻融损伤及抗氯盐侵蚀性的影响,分别以清水和盐水为介质,对高强混凝土试块进行了快速冻融试验。并将冻融后试块置于氯盐溶液中进行浸泡试验,比较了不同介质下高强混凝土冻融损伤形态、质量损失率和饱和吸水率等方面的差异,分析了冻融对高强混凝土氯离子分布规律和氯离子扩散系数的影响。试验结果表明,盐冻条件下高强混凝土表层损伤更严重,质量损失率和饱和吸水率也均大于水冻;冻融试块的饱和吸水率曲线呈现出先水平、再下降、后回升的变化趋势;高强混凝土表层氯离子浓度和氯离子扩散系数均随着冻融次数而增加,分别与冻融次数的0.5次方和1次方呈线性关系,同时还受到冻融介质的影响;随着冻融次数的增加,盐冻时混凝土表面氯离子浓度和氯离子扩散系数的增长相比水冻分别快1.1倍和1.69倍。     

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.     

冻融环境下混凝土中氯离子传输特性研究

冻融损伤和氯盐侵蚀是寒区海洋环境中混凝土耐久性失效的主要原因.通过模拟寒区海洋环境,设计满足一定抗冻要求的引气混凝土,围绕冻融循环次数对混凝土氯离子扩散系数的影响和冻融后氯离子在混凝土中的传输特性进行了试验研究.结果表明:氯离子扩散系数随冻融循环次数的增长呈指数型上升;冻融后混凝土表层氯离子质量分数随侵蚀时间的增长也呈...     

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。     

不同冻融时期土壤水分运动参数特征分析及数值模拟

为科学探究不同冻融期土壤水分运动参数变异规律,以野外大田实测土壤温度为参考.利用改进的水平土柱法测定土壤水分扩散率,用SW080B张力入渗仪测定土壤导水率.同时将试验获得的扩散率和导水率方程带入冻土水热运移方程,通过方程求解得出含水率值与实测值进行误差分析,进而验证土壤水分扩散率与导水率方程的适用性.研究结果表明:在快速冻结期,随土层深度增加,土壤扩散和导水能力呈现出增强趋势;在稳定冻结期,0～40cm土层扩散和导水能力变化不显著,且处于相对稳定状态;在融化期,土壤水分扩散和导水能力随土层深度增加呈现出先减小后增大的变化规律.此外,各土层含水率真实值和模拟值的均方根误差(RMSE)位于1.01～13.54cm~3/cm,误差较小.该试验方法能够较为精确的获取冻融期土壤水分运动参数,并且能够有效的实现冻融期土壤水分动态过程模拟.     

冻融循环对粉煤灰混凝土氯离子扩散系数的影响

测定不同冻融循环次数的混凝土氯离子含量,应用二维扩散理论模型计算混凝土氯离子扩散系数.结果表明:混凝土中的自由Cl-浓度(Cf)随着扩散深度的增加而降低,随着冻融循环次数的增加而升高;混凝土的氯离子扩散系数Dt随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,随着粉煤灰含量的增加而先增加后降低;混凝土的Dt与冻融循环次数和粉煤灰掺量分别呈幂函数关系和呈二次函数关系.利用冻融循次数室内外换算关系,建立服役时间和粉煤灰掺量与Dt方程,可用来估算现场环境下不同服役周期实际工程混凝土的氯离子扩散系数.     

盐湖地区混凝土的氯离子扩散性

在盐湖轻盐渍土现场暴露试验和试验室盐湖卤水干湿循环试验中,采取分层钻孔取样和化学分析方法,应用氯离子三维扩散理论,研究普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土的Cl-扩散系数Dt的变化规律。研究结果表明：混凝土的Cl-扩散系数随着暴露时间的增加而降低,混凝土的抗C1-扩散能力由大至小为高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土;Cl-扩散系数Dt随着水灰比的变小而变小,矿物掺合料(FA,SF和SL)可以降低Cl-扩散系数。     

落叶松板材干燥过程的结合水扩散系数

采用3种扩散偏微分方程求解方法研究了落叶松干燥结合水扩散系数;分析不同干燥介质条件下,10 mm、20 mm厚落叶松板材的一维径向非稳态扩散试验数据.确定干燥动力学曲线;对不同求解方法的水分扩散系数进行比较分析,研究干燥介质温度、湿度、试件厚度、含水率阶段等因素对水分扩散系数的影响机制.结果表明:在特定的环境湿度条件下,扩散系数随温度升高而增大,在3种分析求解方法中,Crank方法的扩散系数与温度间具有的线性关系最为显著;在温度为80℃的干燥试验中,随平衡含水率(EMC)降低,3种方法的扩散系数均呈现出显著增大趋势;相同干燥介质条件下,厚度为20 mm试件的扩散系数均明显高于10 mm试件扩散系数,这种趋势随温度的升高而愈显突出;纤维饱和点以下,木材结合水扩散系数随含水率降低呈指数规律降低.     

毛细作用下土壤水分扩散特性研究及试验

土壤水传导是一门十分重要的研究课题,土壤中水分在毛细作用下的扩散问题是研究土壤水传导的重要组成部分,而扩散系数离散方案在差分方程中的正确使用是研究水分在土壤中扩散特性的关键。本文推导出适用于计算土壤水分扩散特性 的一套新的扩散系数差分方案,并通过控制渗透试验检验取得很好的效果。     

考虑再生粗骨料随机分布的混凝土氯离子扩散细观数值模拟

考虑粗骨料分布的随机性及氯离子结合的非线性对氯离子扩散性的影响,对再生混凝土中氯离子扩散进行数值建模与细观仿真分析,并将数值模拟结果与已有试验数据进行对比;通过改变老硬化砂浆扩散系数、新硬化砂浆扩散系数、老界面过渡区扩散系数及浸泡时间,对比研究了不同情况下再生混凝土中氯离子的扩散特性.结果表明:数值模拟结果与试验结果接近;再生混凝土中氯离子沿扩散深度方向呈波浪式下降;随着扩散系数的增大及浸泡时间的增长,氯离子扩散速度加快;随着再生粗骨料取代率的增加,氯离子扩散速度也增加;相同扩散深度处,不同随机骨料模型中氯离子含量最大值接近,说明所采用的随机骨料模型模拟结果具有较好的稳定性.     

预应力混凝土结构的氯离子二维扩散理论

针对无限大的扩散介质,以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环境温湿度影响的实际预应力混凝土氯离子方程为基础,分别在常数和幂函数边界条件下,推导出二维氯离子扩散理论的齐次模型.同时根据常数边界条件,模拟氯离子在二维的扩散行为,满足实际的边界条件,模拟值与试验值吻合良好.通过试验发现氯离子扩散在相邻两个表面非稳步同时进行的特点,并且分别探讨了水胶比与应力水平对预应力混凝土结构氯离子扩散的影响.     

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.     

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.     

中等强度砂岩饱水力学参数变化试验及动态出砂规律

为了研究含水条件变化对砂岩储层出砂的定量影响规律,对国外某油田N储层中等强度砂岩27块岩心进行不同饱水时间和饱水度条件下的三轴强度破坏试验,测试不同围压三轴破坏强度、弹性模量、泊松比以及内聚力、内摩擦角随饱水时间和饱水度的变化。试验揭示中等强度砂岩力学参数随饱水度的变化规律。根据试验数据,利用极限稳定强度指数模型拟合岩心力学强度参数随饱水时间和饱水度的变化经验关系式,用于该储层的动态出砂临界条件预测。结果表明:在饱水时间为0~50 d内,不同围压下的三轴破坏强度、弹性模量随着饱水时间明显下降,饱水50 d时围压40 MPa下的破坏强度和弹性模量均下降约30%;随着饱水度从0增加到100%,岩心三轴破坏强度、内聚力和弹性模量先降低较快,然后趋于稳定,最终无量纲强度比约为72%;该储层含水饱和度上升至0.85时,储层出砂临界压差下降25%~30%,而地层压力下降30%情况下,出砂临界压差降低10%~11%;未来含水上升和地层压力下降是导致该储层出砂的主要诱发条件。     

桂圆热风干燥过程动力学研究

为了研究桂圆热风干燥过程的机理,在将其视为一个球体的基础上,建立了水分在桂圆内部迁移的传质模型,并获得了内扩散系数的表达式。研究结果表明:桂圆热风干燥主要由表面汽化阶段和水分内部迁移阶段构成,干燥介质温度的升高或气速的增大皆可增大干燥速率,由此缩短了表面汽化阶段的时间并使水分内部迁移阶段提前;干燥介质气速的高低会影响水汽从桂圆表面迁移至气相主体区的外扩散阻力,低气速条件下外扩散阻力较大,此时测得的扩散系数实质是包括外扩散影响在内的表观扩散系数,该系数随气速增加而增大。因此测量内扩散系数时应先消除表面汽化阶段的影响,通过分析不同气速对水分内扩散系数Deff的影响,发现消除外扩散影响的临界气速为1. 07 m·s-1,即当干燥介质气速高于该值时,可测得本征内扩散系数;在323. 15 K～363. 15 K温度范围内,水分在桂圆内部的扩散系数为2. 52×10-10m~2·s~(-1)～5. 27×10-10m~2·s~(-1),内扩散活化能和指前因子分别为19. 84 k J·mol-1和4. 011×10-7m~2·s~(-1)。     

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.     

超临界CO_2在饱和水多孔介质中扩散系数的测定

多孔介质是CO2地质埋存及CO2驱油过程中的常见载体,在地质埋存及驱油过程中CO2均处于超临界状态.采用一维径向扩散模型模拟超临界CO2在饱和水多孔介质中的扩散,在此模型基础上运用Fick扩散定律得到了超临界CO2在饱和水多孔介质中的扩散方程,结合室内扩散实验,求出扩散系数,并通过改变实验压力和温度研究二者对扩散系数的影响.结果表明,超临界CO2在饱和水多孔介质中的扩散系数处于10-10m2·s-1数量级上.同时,超临界CO2在饱和水多孔介质中的扩散速率均随着温度的增加而增加,随着压力的增加而增加,而且在超临界区域附近受温度、压力等外界物理因素的影响尤为明显.研究结果可用于CO2地质埋存安全性评价及CO2驱油中传质性质的计算.