修正的混凝土内硫酸根离子迁移模型研究

研究因硫酸盐侵蚀导致的混凝土密实,建立了基于Fick扩散方程的考虑混凝土孔隙填充和离子迁移时间依赖关系的硫酸根离子迁移模型。模型从已有试验数据中得到了较好验证。硫酸钠溶液环境下,运用Comsol Multiphysics软件模拟混凝土内硫酸根离子的运移,分析了离子在混凝土内随时间和空间的分布以及混凝土的破坏规律。研究表明:混凝土内的硫酸根离子浓度随时间增加逐渐增加,增速急剧降低;随离子侵入深度增加,逐渐降低。孔隙填充对离子随时间侵入的影响很大。考虑密实的混凝土内硫酸根离子含量明显较小。外界硫酸根离子浓度越高,混凝土内离子含量越大,含量随时间的增加差距增加,增幅变化不大。混凝土受硫酸盐侵蚀是逐渐从表面向内的开裂破坏。     

硫酸盐浓度对水泥基材料传输性能的影响

为考察硫酸盐浓度对水泥基材料性能的影响,设计水灰比为0.5与0.35的砂浆试件,进行全浸泡试验,研究不同硫酸盐浓度对水泥基材料水分传输性能、力学性能与不同深度硫酸根离子传输性能的影响。结果表明：硫酸盐侵蚀后的水泥基材料,吸水量随着侵蚀龄期的增长而增大;水泥基材料的抗折、抗压强度随着硫酸盐侵蚀龄期与侵蚀溶液浓度的增加,呈现先增加后减小的趋势;随着硫酸盐浓度的增加,同深度硫酸根离子浓度随之增加;硫酸盐侵蚀水泥基材料会生成膨胀性产物填充内部孔隙,增加试件力学性能。     

干湿循环-硫酸盐作用的混凝土中硫酸根离子分布预测

以影响混凝土中硫酸根离子分布的混凝土水灰比、环境中硫酸根离子浓度、侵蚀龄期和侵蚀深度4种影响因素为参数,以试验数据为训练样本,基于BP神经网络算法,建立了干湿循环-硫酸盐侵蚀作用下混凝土中硫酸根离子分布拟合及预测模型.经验证,该模型对硫酸盐侵蚀作用下混凝土中硫酸根离子分布具有良好的拟合及预测效果.     

硫酸盐在圆形混凝土桩中扩散反应解析解

基于Fick第二定律,建立了硫酸盐在混凝土桩中的扩散反应方程.采用分离变量法和Danckwerts法,结合初始和边界条件,推导出扩散反应方程解析解.进一步考虑硫酸盐侵蚀过程中孔隙填充与膨胀裂缝对硫酸盐扩散系数的影响,提出了混凝土侵蚀劣化全过程有效扩散系数模型.基于硫酸盐扩散反应方程解析解和有效扩散系数模型,获得硫酸盐在混凝土桩中的浓度分布规律,并与试验结果对比,验证了解析解的有效性.算例分析表明:孔隙的填充对硫酸盐扩散的阻碍效果显著,而裂缝的发展促进了硫酸盐的扩散反应;水灰比越小,硫酸盐侵入深度越浅,浓度也越低.     

硫酸盐环境下基于COMSOL混凝土损伤劣化模型

结合Fick第二定律和修正Davis方程,建立多离子耦合作用下混凝土在硫酸盐纯浸泡环境中离子扩散数值模拟过程,并通过化学平衡建立离子和腐蚀产物之间的定量关系,最终得到简化的硫酸盐纯浸泡模型.利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现硫酸根离子扩散模型的建立,以时间为自变量,通过设置温度、浓度等初始条件,最终得到腐蚀物浓度、孔隙率和应变场等因变量评价参数.考虑到混凝土试件的初始建模条件和硫酸根离子腐蚀过程中的复杂因素,对扩散和腐蚀过程做了一些简化和假定,建模结果表明:硫酸根离子在纯浸泡环境下的扩散过程符合试验规律;随着模拟腐蚀进行,混凝土内部自由态硫酸根离子趋于稳定,而固化态硫酸根离子随腐蚀进行而增加;模拟结果可以结合无损检测方法利用损伤层厚度来预测混凝土耐久性寿命.     

亚高温环境下混凝土耐硫酸盐侵蚀试验方法研究

在总结现有混凝土硫酸盐侵蚀试验研究的基础上,提出了考虑亚高温水淬与硫酸盐侵蚀双因素影响的亚高温环境下混凝土耐硫酸盐侵蚀试验方法,确定了试件尺寸、侵蚀溶液及其浓度、宏观和微观测试指标等.采用硫酸根离子浓度测试方法得到了硫酸盐侵蚀深度和硫酸根离子浓度随时间的变化和分布规律,采用同步热分析仪对混凝土硫酸盐侵蚀产物及其随时间的变化规律进行定量分析.     

硫酸盐侵蚀混凝土的理论模型与数值仿真

针对一维工况下的硫酸盐侵蚀混凝土过程,基于Fick第二定律,考虑硫酸根离子的自由扩散作用以及铝酸三钙、水化铝酸钙、单硫型硫铝酸钙的消耗对其扩散的影响,建立了硫酸根离子扩散模型.利用Matlab软件编制程序,对硫酸盐侵蚀混凝土过程进行数值仿真,仿真结果和实测结果基本吻合,并揭示了混凝土试件内部硫酸根离子和铝酸三钙含量随侵蚀深度的变化规律.     

干湿循环下受硫酸钠侵蚀混凝土内钙钒石热分析研究

按照硫酸钠溶液浸泡15d/自然风干15d的循环制度进行了混凝土腐蚀试验,采用热分析技术对混凝土腐蚀产物进行了辨别和定量比较.试验表明:干湿循环与硫酸钠共同作用下,腐蚀龄期360d内的混凝土腐蚀产物以钙钒石为主,仅处于硫酸根离子浓度为50000mg/L的硫酸钠溶液中的混凝土表面在部分龄期检测到了石膏的生成.钙钒石的含量按混凝土试件由表及里依次递减,达到一定龄期时,第二层(距表面1.5—3.5mm)混凝土中钙钒石的含量大于第一层(距表面0—1.5mm).同一水灰比混凝土的相同层中钙钒石的含量随龄期增长而增多.混凝土中钙钒石的含量一般随硫酸根离子浓度的升高而增多,水灰比对混凝土中钙钒石含量的影响因硫酸根离子浓度而变化.硫酸根离子浓度为800mg/L和6000mg/L的硫酸钠溶液中,第一层混凝土中钙钒石的含量随水灰比增大而减小,第二层混凝土中钙钒石的含量随水灰比增大而增加,混凝土中钙钒石的总含量随水灰比增大而降低.硫酸根离子浓度为50000mg/L的硫酸钠溶液中,混凝土中钙钒石的总含量随水灰比增大而增多.     

地下混凝土结构硫酸盐及氯盐侵蚀的耐久性实验

针对硫酸盐及氯盐共同侵蚀下混凝土中SO 42-和Cl-的扩散规律和性能劣化特征进行室内模拟实验研究。研究结果表明:硫酸根与氯离子在混凝土中扩散短期内起到相互牵制效应,SO 24-与水泥水化产物的合成物和Cl-生成的F盐堵塞孔隙,延缓侵蚀离子扩散。硫酸根与氯离子共同侵蚀下,抗侵蚀系数和抗渗透性能先增加后减小,同时水灰比、粉煤灰对抗侵蚀性及渗透性影响明显。实验研究指出物理侵蚀发生的最明显温度在21~24℃之间,缓解温度在30~35℃之间,较小的相对湿度(RH为45%)、较高的温度变化加快了硫酸盐物理侵蚀。微观测试和分析表明,Friede盐、大量钙矾石(AFt)以及硫酸钠结晶物,导致了混凝土内部结构松散劣化,Na,S和Cl等侵入元素的存在说明有害物质侵入痕迹。     

早龄期受硫酸盐侵蚀下的混凝土分层腐蚀模型

为研究早龄期受硫酸盐侵蚀下混凝土的损伤劣化规律,本文采用压汞法（MIP）测定了清水环境和硫酸盐环境下不同腐蚀龄期混凝土试样的孔隙率,利用分光光度法测定了混凝土中硫酸根离子的分布,并测试了不同腐蚀龄期混凝土的超声波声速值。结果表明：清水组中混凝土的孔隙率先降低后逐渐趋于一个定值,硫酸钠溶液中混凝土的孔隙率则先降低后增加;混凝土超声波声速值的变化规律与孔隙率的变化规律呈负相关性。最后,结合硫酸根离子的分布规律和Fick第二定律,建立了腐蚀混凝土分层理论计算模型,并利用混凝土密实速率系数评估了混凝土的损伤劣化进程。     

硫酸铵腐蚀环境下的混凝土碳化深度试验研究与应用

硫酸盐腐蚀是影响混凝土结构耐久性能的重要化学劣化因子之一。以赣南离子型稀土开采残留硫酸铵的环境问题为背景,通过实验室快速碳化试验研究硫酸铵溶液浓度对混凝土碳化深度的影响规律。结果表明:硫酸铵溶液浓度越大,相同强度等级的混凝土在相同碳化龄期的碳化深度与碳化速率越大。根据试验结果建立了硫酸铵腐蚀环境下混凝土碳化深度预测模型,对该环境下混凝土最小保护层厚度取值提出了建议。     

三因素作用下混凝土耐久性试验研究

利用自制加载装置,研究硫酸盐侵蚀、干湿循环和弯曲荷载耦合作用时混凝土的损伤劣化规律.试验结果表明:弯曲荷载加速了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用;在1年内,干湿循环对硫酸盐侵蚀混凝土的影响不明显;混凝土试件接近破坏时,重量稍有增加.钢纤维对混凝土重量损失影响不大,其主要作用是减缓混凝土相对动弹性模量的降低,并随钢纤维体积率增大而效果更佳.粉煤灰有利于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力.     

盐碱溶液对混凝土碳化性能的影响

基于盐碱寒冷地区的工程环境与混凝土的配制特点，模拟配制了盐碱（SA）溶液，对水灰比、含气量和粉煤灰掺量三个因素对混凝土碳化性能的影响进行了正交试验研究．结果表明：水灰比、含气量和粉煤灰掺量三个因素对混凝土碳化性能影响的顺序是水灰比最大，含气量次之，粉煤灰掺量最小；盐碱溶液侵蚀产生膨胀性裂缝和溶解碱组分的双重作用，改变了水灰比、含气量和粉煤灰掺量影响混凝土碳化性能的顺序，即水灰比最大，粉煤灰掺量次之，含气量最小；无论经过盐碱溶液的侵蚀与否，各因素影响混凝土碳化性能的规律是一致的，即随着水灰比、含气量、粉煤灰掺量的增加，碳化深度增大．     

混凝土中钢筋腐蚀速率的基本理论模型

根据金属腐蚀极化理论推导了电化学极化控制和氧浓差极化控制2种条件下混凝土中钢筋腐蚀速率的基本理论模型。模型显示,电化学极化控制下,稳定腐蚀状态下能斯特扩散层以外孔隙液中Fe2+和OH- 的浓度对腐蚀速率的影响呈正指数关系,且影响随浓度降低而渐趋剧烈;温度对腐蚀速率有较大影响,约呈指数关系,在自然温度范围内,温度每升高10度,腐蚀速率约升高1倍;应力对腐蚀速率的影响接近正线性关系,对应力较低的普通钢筋影响较小,但对应力较高的预应力钢筋影响可观;氧浓差极化控制下,腐蚀速率与氧气在整个混凝土保护层内的等效扩散系数成正比,与混凝土保护层厚度及钢筋表面温度成反比。最终腐蚀速率取2个模型计算结果中的较小者。     

复杂环境下钢筋混凝土桥梁损伤概率模型及可靠度分析

综合考虑氯离子的结合作用、水灰比、温度和湿度因素对钢筋锈蚀的初始时间的影响,对Fick第二定律进行改进,建立了初锈时间模型.并通过Monte Carlo数值模拟技术,对钢筋混凝土桥梁的保护层厚度、表面氯离子浓度、扩散系数和临界氯离子浓度进行随机抽样,进行了正常使用极限状态下的可靠度计算.研究结果表明,钢筋对锈蚀的敏感程度依次为:保护层厚度、临界氯离子浓度、扩散系数、表面氯离子浓度;随着锈蚀率的增加,桥梁在使用年限达到65年之后,失效概率达到1,同时使用年限下降27%.     

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.