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。     

自然环境中混凝土内微环境温度响应

研究了有/无遮挡条件对自然环境中一维混凝土内微环境温度响应的影响规律.基于傅立叶传热原理和第三类边界条件,推导出2种工况下的一维混凝土内微环境温度响应模型,并利用现场试验结果论证了所建模型的合理性;此外,还提出了利用实测结果求解混凝土的热扩散系数和表面换热系数等参数的方法.试验结果表明:所构筑的不同工况条件下的混凝土内微环境温度响应模型可表征混凝土内微环境温度响应变化规律,其理论拟合曲线与实测结果基本吻合;有/无遮挡条件对混凝土内微环境温度响应影响较大,主要体现在温度响应波幅、极值和出现时间等方面,这是因为主导混凝土与环境间的换热方式不同;基于理论推导和实测结果所解出的混凝土热扩散系数和表面换热系数等参数的精度较高.     

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。     

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.     

水泥混凝土板水分迁移模型的近似解析解

为了研究早龄期混凝土板的水分迁移规律,建立了早龄期混凝土路面板在外部干燥条件下的1维水分迁移模型,推导了基于Adomian分解法的求解任意边界条件下的非线性水分迁移模型的初边值问题的近似解析解,并与早龄期混凝土板的干燥过程试验数据和Crank-Nicolson有限差分法数值解的结果进行了比较.结果表明,Adomian分解法的收敛速度非常快,是一种有效的求解任意边界、初始和扩散系数下的混凝土板干燥过程的偏微分方程的方法.     

毛细作用下风积沙混凝土水分和氯离子传输特性试验

目的 研究毛细作用下水分和氯离子在风积沙混凝土中的传输特性,探讨风积沙掺量、氯盐质量浓度对水分和氯离子侵入的影响规律.方法 试验制备了 5组不同掺量的风积沙混凝土,按照比例为0％、25％、50％、75％、100％等质量替换普通河砂,通过自然扩散法进行风积沙混凝土毛细吸水/盐试验.结果 风积沙混凝土毛细吸收曲线前1 d内...     

养护方式对混凝土表层渗透性的影响

为了探讨混凝土获得良好的表层抗氯离子渗透性对早期湿养护时间的需求,设置了4种不同的养护方法,将一直湿养护条件下的混凝土表层氯离子扩散系数与抗压强度进行关联,研究了养护方法对不同强度等级的混凝土表层氯离子渗透性的影响规律。研究结果显示:混凝土的表层氯离子渗透性比抗压强度和本体氯离子渗透性对湿养护时间的敏感性更高,缩短湿养护时间会明显降低混凝土的表层抗氯离子渗透性;高强混凝土的表层氯离子渗透性对湿养护时间长短的敏感性比中等强度等级和低强度等级混凝土的表层氯离子渗透性略低;为使混凝土获得良好的表层抗氯离子渗透性,需保证混凝土有足够的(14d以上)湿养护时间。     

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。     

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.     

考虑气体多层吸附的表面扩散传输模型

纳米孔内气体主要以吸附态为主,孔隙壁面的表面扩散传输对多孔介质内气体流动的贡献不容忽视。鉴于Langmuir单层吸附模型不能有效描述高温高压条件下的气体吸附特征,以单层吸附覆盖度为基础,推导出新的吸附气体表面扩散系数的理论计算公式,并利用相关实验和理论数据验证其合理性和准确性。在此基础上构建纳米孔隙壁面气体多层吸附表面扩散模型,分析压力和温度对表面扩散传输的影响效应和规律。结果表明:提出的新的吸附气体表面扩散系数计算公式在计算吸附气体表面扩散系数方面更具优势,有效反映了气体分子的多层吸附特征;基于多层吸附理论所建立起来的吸附气体表面扩散新模型,综合考虑了温度和压力的耦合效应,比传统气体表面扩散模型更加准确可靠;压力和温度是影响吸附气体表面扩散的两个重要方面,在以表面扩散传输为主的纳米孔中,气体表面扩散通量的压力影响效应显著(压力升高9 MPa,通量增大2个数量级),温度影响效应较弱(平均温度每升高1℃,通量降低1.13%)。     

混凝土中氯离子传输模拟及速率分析

为模拟氯离子在混凝土中传输规律,基于Fick第二定律和Darcy定律建立氯离子扩散-对流模型,同时考虑温湿度、孔隙率、结合效应等多种影响因素对扩散系数进行修正,利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现多场耦合数值模拟,最终结合试验数据模拟氯离子传输过程.结果表明:数值模拟与实验结果相关性良好,能有效...     

无碳化影响时干湿交替下水泥基材料中氯离子传输行为

为了研究不存在碳化影响时干湿交替下氯离子的传输规律及分布特征,在N_2环境下进行干湿交替以彻底排除干燥过程中碳化的影响;建立了仅考虑扩散和毛细吸附-水分蒸发的氯离子传输数值模型.结果表明,在实验测得的与计算得到的氯离子分布曲线中都出现了氯离子浓度峰,氯离子含量及浓度峰出现的位置均较为相近,且氯离子浓度峰出现的深度在0～2 mm内.此外,暴露时间、水灰比、温度及外部盐溶液浓度的增大以及环境湿度的减小都会导致氯离子浓度峰增强,且浓度峰出现的位置向暴露面更深处迁移.实验结果与计算结果的一致性不仅显示了无碳化影响时干湿交替后氯离子的分布规律及特征,而且反映出了毛细吸附-水分蒸发是导致氯离子浓度峰形成的根本原因.     

冻融作用下混凝土的扩散系数与损伤演化规律

基于Fick第二定律,建立一维扩散模型,推导半无限介质对有限区域的扩散方程,设计混凝土单面冻融试验;通过对试验初始条件的控制,使扩散方程适用于冻融试验,提出冻融扩散方程,通过试验,得到扩散系数随冻融时间、混凝土饱水度的变化规律。研究结果表明:在冻融过程中,根据饱水度的时间梯度趋势曲线,将水分扩散分为一般扩散、缓慢扩散、急剧扩散3个阶段;水分扩散系数的数量级变化范围为10-9~10-8 m2/s,且呈先减小后增大的趋势,在28次冻融时,扩散系数达到极小值。     

超声场条件下两种扩散系数估算模型的比较

进行了常规条件和超声场条件下苯酚在NAKII树脂上的吸附相平衡实验和吸附动力学实验，结合吸附相平衡和吸附动力学，提出了一种估算超声场强度下NKAII树脂吸附苯酚的液固扩散系数的计算模型-相平衡-动力学模型（PEKM），分别采用PEKM模型和典型的球形颗粒大孔扩散模型估算了常规条件和超声场条件下的扩散系数，前者估算值大于后者2～3个数量级，使用估算出的扩散系数，借助于数学软件Matlab求解实际脱附过程的浓度与时间的关系，结果表明，使用PEKM模型比典型模型计算出的浓度更接近于实验结果，从而进一步证实了PEKM模型的合理性与可靠性，实验结果还表明，超声场条件下的扩散系数比常规条件下要大，而且随超声波强度的增大而增大。     

苯酚在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学

分别采用Freundlich模型和Langmuir模型对苯酚在活性炭上的吸附等温数据进行了拟合分析,并通过改变活性炭添加量和苯酚初始质量浓度研究苯酚在活性炭上的间歇搅拌槽吸附动力学;同时,在非线性吸附等温条件下,采用有限元法求解了包含液膜传质阻力和表面扩散阻力的均相扩散模型(HSDM),结合最小二乘法(单纯形法和麦夸尔特法交替计算)来获得液膜传质系数kf和表面扩散系数Ds,在采用麦夸尔特法估算参数的同时,对参数进行了给定区间的置信区间分析.结果表明:Langmuir模型能较好地描述苯酚在活性炭上的吸附等温曲线;HSDM可以有效预测苯酚在活性炭上的动态吸附行为;在一定搅拌速度下,活性炭添加量和苯酚初始质量浓度对液膜传质系数和表面扩散系数基本无影响;液膜传质系数远大于表面扩散系数,表明苯酚在活性炭上的动态吸附过程是由表面扩散控制的;所估算的kf值相对Ds值更为准确.     

人工填筑路基土体水分运动参数的试验

以低液限粘土和粉土为研究对象,采用滤纸法确定其土体水分特征曲线,应用Van Genuchten模型对土体水分特征曲线进行拟合;利用水分迁移测试系统测试土体含水体积分数时变曲线;基于达西定律,结合土体水分特征曲线和土体含水体积分数时变曲线,提出确定导水率及扩散率的方法。研究结果表明:应用滤纸法和水分迁移测试系统确定土体导水率及扩散率简单、方便;Van Genuchten模型拟合土体水分特征曲线效果能达到工程应用要求。     

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.     

模拟干湿环境对混凝土内水分影响深度的影响

建立了混凝土内水分影响深度的平衡时间比模型,研究了混凝土水灰比、初始饱和度及混凝土表面的环境饱和度对模拟环境中混凝土平衡时间比的影响,通过数值计算探讨了混凝土水灰比、初始饱和度及混凝土表面的环境饱和度与混凝土内水分影响深度间的关系,并构筑出水分影响深度模型,最后分析了不同混凝土平衡时间比求解方法之间的异同.结果表明:不同求解方法所得混凝土平衡时间比一致,所求得的平衡时间比与实测值基本吻合;混凝土平衡时间比与混凝土水灰比、初始饱和度及混凝土表面的环境饱和度存在良好的指数函数关系;混凝土内水分的影响深度与润湿时间的平方根间成线性关系.     

菲克定律在氢扩散系数研究中的应用

菲克第一定律、菲克第二定律是氢扩散系数测定的理论依据,但测量时采用的不同初始条件和计算方法会对计算结果造成一定的偏差。针对氢扩散过程中两种初始状态("衰降暂态"、"升起暂态")对应的扩散系数的求解公式及对应电流进行了推导和分析,将理论依据与单电位阶跃的电化学实验方法中的实际模型相结合,得出了实际实验条件下不同初始状态对应的合理的计算方法、实验结果及各自不同的具体应用,通过比较证实"升起暂态"在实验控制方面较佳。     

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．