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.     

预测混凝土中氯离子扩散的概率密度演化方法

在氯盐环境下,为更加精确地预测混凝土桥梁中的氯离子浓度分布的随机性,将氯离子扩散系数看作服从正态分布的随机变量,通过理论推导建立氯离子浓度分布的概率密度演化方法,并进行变参数分析。结果表明:氯离子浓度概率密度分布的均值随着深度的增加而降低,但其均方差随着深度的增加而增加;氯离子浓度概率密度分布的均值随着扩散时间的增加而增加,但其均方差随着扩散时间的增加而减小;氯离子浓度概率密度分布的均值和均方差均随着扩散系数的均值和均方差而发生一致的变化。     

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.     

裂缝非贯通条件下混凝土结构中氯离子扩散解析

考虑混凝土裂缝的非贯通条件,根据裂缝深度将带裂缝混凝土结构分为裂缝区和无裂缝区.依据Fick第二定律,建立氯离子在带裂缝混凝土结构中的扩散方程,结合初始条件和边界条件,采用Laplace变换法得到带裂缝混凝土结构中氯离子扩散方程的解析解,并分析裂缝宽度和深度对氯离子分布规律及钢筋混凝土结构耐久寿命影响.结果表明,裂缝的深度越小、宽度越大,则裂缝非贯通条件下的氯离子浓度与裂缝贯通条件下的氯离子浓度差异越大.随着裂缝深度与保护层厚度之比d_(cr)/d_c增大,钢筋混凝土结构耐久寿命呈现先减小后增大的变化趋势;当d_(cr)/d_c=1.0时,结构耐久寿命取得最小值;当d_(cr)/d_c1.6时,结构耐久寿命可近似按裂缝贯通时的情况计算.     

模型再生混凝土二维氯离子扩散细观数值模拟

根据再生混凝土各相介质Cl-扩散率和几何参数建立了数值模型,对模型再生混凝土二维Cl-扩散性进行数值模拟,研究了再生混凝土的Cl-扩散特性.通过变化再生粗骨料取代率、新(老)硬化水泥砂浆扩散率、老硬化水泥砂浆厚度以及界面过渡区(ITZ)扩散率对再生混凝土中Cl-扩散性能进行了对比分析.结果表明:模型再生混凝土内部Cl-浓度非均匀分布,Cl-浓度沿着扩散深度波浪式下降,再生粗骨料取代率、水泥砂浆、ITZ等的变化对Cl-浓度的影响随着扩散深度的增加而逐渐变大,且在ITZ处的影响较为明显.     

纳米单晶氩扩散性质的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法对纳米单晶氩的扩散性质进行了模拟研究。采用L-J12-6势函数描述氩原子势,半步长的Leap-frog算法求解运动方程,Berendsen热浴法调温,P-R方法调压,在充分弛豫后进行扩散模拟的时间为100 ps,计算得到了10个恒定温度下原子均方位移(MSD)与时间(t)的关系曲线。根据MSD-t曲线特点,分为初始阶段和稳态阶段2个阶段进行数据处理。利用Einstein关系求出了稳态阶段的扩散系数D,由Arrhenius表达式求出了纳米单晶氩的稳态扩散常数D0为0.100 004 509 m2/s、稳态扩散激活能Q为4.848 81×10-21J。     

碳化对混凝土中氯离子扩散的影响

混凝土与静浆快速碳化0,14,28d后浸泡到3.5% NaCl溶液中650d,测试了混凝土不同深度的自由氯离子、总氯离子含量,计算出混凝土的表观氯离子扩散系数和氯离子结合能力;采用压汞法测试了不同腐蚀制度下静浆表层的孔结构,利用DSC分析了静浆的腐蚀产物.结果表明:混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中,增加了混凝土中的氯离子含量,提高了混凝土表观氯离子扩散系数,降低了混凝土对氯离子的结合能力;且随碳化时间的增加,变化幅度变大.快速碳化粗化了混凝土的孔结构,其大于30nm的毛细孔数量增加了11%,最可几孔径增加了17nm;降低了混凝土中Friedel'S生成量,以及混凝土对氯离子的化学结合能力.     

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...     

氯离子侵蚀混凝土及细观参数影响的近场动力学模拟

为了研究混凝土细观参数对氯离子扩散过程的影响,建立了饱和混凝土中氯离子扩散的近场动力学细观模型.该模型采用氯离子浓度的积分代替经典局部模型中的浓度空间微分,使用"键"将氯离子从一个材料点输运到另一个材料点.通过与有限元模型计算结果进行对比,验证了模型的可行性和有效性;讨论了骨料分布、骨料体积分数、骨料级配、界面过渡区(...     

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.     

复合外掺料高性能混凝土的氯离子扩散性能

为研究复合矿物外掺料对高性能混凝土抗氯离子扩散性能的影响,分别制备单掺、双掺及三掺矿物外掺料的高性能混凝土试件,通过开展6 h快速氯离子扩散实验(ASTM C1202),测试高性能混凝土中不同深度处的总氯离子和自由氯离子的含量,并据此计算不同深度处固化氯离子的含量。实验结果表明,复合掺加粉煤灰、硅灰和矿渣的高性能混凝土的6 h电通量最少,且其内部的总氯离子和自由氯离子含量最低,具有最佳抗氯离子扩散能力;复合掺加矿物外掺料可以提高混凝土中固化氯离子的比例,降低混凝土结构中钢筋的锈蚀概率,延长其服役寿命。     

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.     

海洋环境下硅灰混凝土的抗冻性与氯离子扩散性

针对海洋环境条件,重点研究了硅灰混凝土的抗冻性和氯离子扩散性能的关系.试验分析了水胶比、硅灰等量替代水泥掺量大小、引气剂掺量等因素对混凝土抗冻性和氯离子扩散性能的影响,并与普通混凝土进行了对比.结果表明,掺加硅灰不能提高混凝土的抗冻性但可提高混凝土的抗氯离子渗透性;硅灰只有与引气剂共同使用,才能同时提高混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性能;硅灰掺量在10%左右对混凝土的抗冻和抗氯离子渗透综合性能影响存在一个最佳值.为评估混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性的综合性能,提出了新的评价方法--冻渗比(R值方法),并进行了试验验证.     

弯曲疲劳载荷作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能

通过对疲劳损伤机理的分析,针对损伤发展的第2阶段,采用不同疲劳循环次数比对应的残余拉应变与疲劳破坏时对应的极限残余拉应变的比值来定义损伤变量,重点研究了疲劳载荷与氯盐协同作用下结构混凝土的耐久性及其寿命预测方法.研究结果表明:随着疲劳损伤所产生的残余拉应变的增大,氯离子在混凝土中的扩散系数逐渐增加;当残余拉应变超过60×10-6时,其增加幅度开始变得显著;当残余拉应变增加到120×10-6时,氯离子扩散系数提高了1个数量级.因此,在海洋大气环境与疲劳载荷的协同作用下,结构混凝土的服役寿命大大缩短.这些方法与结论可为疲劳载荷与环境因素协同作用下混凝土的耐久性设计与评估提供依据.     

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.     

L-J流体扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟的方法,计算了模型流体氩及氩／氪溶液的自扩散系数和互扩散系数．计算结果表明,对不同状态下氩的自扩散系数的计算与实验结果符合较好,误差在10％左右;采用Green-Kubo法和Einstein法计算的扩散系数相等．氩／氪溶液的理想性较好,由径向分布函数计算得到热力学因子Q的数值为1．03。     

非饱和混凝土中氯离子输运问题的边界元算法

氯离子侵蚀对混凝土结构耐久性造成极大危害,研究混凝土中氯离子输运问题的计算方法,对于完善混凝土结构寿命预测与评估方法具有重要意义.针对非饱和混凝土中氯离子输运问题,综合考虑了渗透和扩散对输运过程的影响.将相应的控制方程转化为积分弱形式,采用径向积分法和基于紧支径向基函数的函数逼近方法,得到仅包含边界积分的积分方程.采用中心差分格式表示非稳态项中的湿度梯度和浓度梯度,进而建立该问题的无网格边界元方程.通过求解系统方程,得到混凝土中氯离子输运问题的解答.计算表明,混凝土未饱和之前,渗透过程对氯离子输运的影响显著高于扩散过程,渗透对扩散过程的影响时间远长于混凝土达到饱和的时间.这为进一步研究干湿循环作用下混凝土中氯离子输运问题奠定了基础.