考虑温度时变效应氯离子侵蚀混凝土的格子Boltzmann数值模型

对于长期暴露在氯盐环境下的混凝土结构,在外界温度影响下氯离子的侵蚀作用非常复杂,会影响钢筋锈蚀进程及其耐久性.为此,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别描述混凝土温度场和氯离子浓度场的演化过程,考虑外界温度的时变效应,建立氯离子侵蚀混凝土的数值模型.在此基础上,讨论水灰比、饱和度和昼夜温差等因素对氯离子侵蚀机制以及混凝土服役寿命的影响.研究表明:随着水灰比的增大,氯离子扩散系数逐渐增大,从而加剧了氯离子的侵蚀作用.混凝土饱和度越大,氯离子的扩散速率越快,从而导致混凝土的服役寿命缩短,当饱和度超过75%时,混凝土的服役寿命变化趋势逐渐趋于稳定.此外,昼夜温差越大,其对扩散系数的影响越显著,但总体而言,昼夜温差的变化对混凝土服役寿命的影响并不突出.     

纳米氧化铝提升海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构服役寿命研究

氯离子传输并诱导内部钢筋锈蚀是海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构耐久性失效的主要原因之一,增大混凝土氯离子传输阻力是提升混凝土结构服役寿命的根本途径。纳米技术与纳米材料的发展为混凝土材料高性能化提供了新的可能。本工作研究了纳米氧化铝(NA)对砂浆氯离子电迁移系数(D_RCM)与自然扩散系数的影响,基于氯离子等温吸附曲线,建立了考虑氯离子结合参数的氯盐传输模型,分析了NA对氯盐侵蚀环境下混凝土结构服役寿命的影响。结果表明：适宜掺量的NA可降低砂浆氯离子传输性能;承台桩基础混凝土钢筋保护层厚度为60 mm时,在C45混凝土中掺入2%(质量分数)NA后,仅考虑氯离子侵蚀时混凝土预期服役寿命由68年提升至107年。NA为提升海洋环境下高速铁路混凝土结构服役寿命提供了新的技术途径。     

基于RCM法的砼氯离子扩散系数测定仪的检测

氯离子引起的腐蚀严重影响到混凝土结构的持久性,为了提高钢筋混凝土构筑物的持久性,需掌握和了解氯离子在混凝土中的扩散行为及其规律,以便根据这些规律进行混凝土结构耐久性设计和服役寿命预测。混凝土氯离子扩散系数测定仪可定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力．为氯离子侵蚀环境中的混凝土结构耐久性设计与施工以及使用寿命的评估与预测提供基本参数。     

盐湖地区RC桥梁结构时变车桥耦合振动寿命预测研究

盐湖地区氯离子侵蚀环境下, RC桥梁结构时变车桥耦合振动是一个复杂的多因素、高度非线型过程,且随着列车运行速度的增加,这种特性逐渐增强,因此,对于使用寿命评估需要更高要求的预测模型。采用二系主动悬挂系统建立RC桥梁车桥垂向耦合振动模型,基于虚拟激励法,求解列车在不同运行速度时的垂向振动位移,并以该位移和能量守恒定律为条件,确定荷载影响因子f(δ)的取值。基于Fick第二扩散定律理论,充分考虑混凝土氯离子扩散系数的时间依赖性、轨道不平顺激励及高速列车运行速度对RC桥梁结构垂向振动影响等因素,得到一种既考虑荷载影响因子f(δ)又考虑氯离子结合能力的RC桥梁氯离子扩散修正模型。仿真实验结果表明,与传统的未考虑列车运行速度影响因素的氯离子扩散模型相比,所提出的RC桥梁氯离子扩散修正模型更加合理,对于盐湖地区既有RC桥梁结构使用寿命的预测将更有实际工程意义。     

干湿循环作用下钢筋混凝土氯离子侵蚀与寿命预测

在已有水泥混凝土氯离子侵蚀模型基础上,综合考虑外部环境因素(温度、湿度、风速)与混凝土自身条件(龄期、氯离子吸附效应)对非饱和混凝土氯离子侵蚀的影响,建立干湿循环下混凝土氯离子传输模型并进行实验验证。根据运算的复杂程度对Fib Model Code模型进行优化,建立干湿循环作用下钢筋混凝土寿命预测模型,可为实际工况下受氯离子侵蚀钢筋混凝土材料设计与寿命预估提供参考。     

基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测

考虑海底隧道承受侵蚀性高压力海水的服役环境特点以及高性能混凝土的非饱和特性,建立了海底混凝土隧道氯离子扩散-对流传输模型和耐久寿命预测模型。以舟山沈家门海底隧道为工程背景,通过室内实验确定计算参数,采用TOUGH2软件数值模拟了环境中氯离子侵入隧道的传输过程,得到了氯离子经时传输规律,以及水头、混凝土初始饱和度、环境氯离子质量分数的作用规律,比较了扩散、饱和扩散-对流、非饱和扩散-对流预测模型的计算差异。结果表明：海底隧道腋角位置的氯离子质量分数累积最高;水头和环境氯离子质量分数与氯离子质量分数增长呈正相关,混凝土初始饱和度与氯离子质量分数增长呈负相关;按照扩散模型预测得到的隧道耐久寿命最长,按照非饱和扩散-对流模型预测得到的耐久寿命最短。     

基于相似性的海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能研究进展

随着我国"海洋强国"战略的实施,海洋工程结构基础设施建设规模空前,滨海环境下混凝土材料耐久性问题也逐渐引起人们的重视.氯离子侵蚀是导致海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性能劣化的主要因素,因此,针对滨海环境下钢筋混凝土中氯离子侵蚀规律的试验研究引起了广泛关注.实海暴露试验存在受区域影响较大、推广性差、试验周期长和影响因素复杂等缺点,不能为寿命预测模型建立提供充足的数据基础,而室内模拟加速试验可有效弥补实海暴露试验的不足.以实海暴露试验为依据,通过研究二者之间的相似性,构建实际海洋工程结构的寿命预测模型,进而将室内模拟试验结果应用到现场实际情况中,可准确地实现海洋环境下基础设施建筑结构服役寿命的预测.目前,学者们已对海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能的实海暴露试验与室内模拟加速试验开展了大量的研究,并取得了丰富的成果.一方面,建立了相应的相似性模型,进而从理论方面分析实海暴露环境和人工模拟环境下混凝土中氯离子的侵蚀规律,为寿命预测模型的建立奠定理论基础;另一方面,试验设备得到不断的研发升级,为获取更加准确可靠的试验数据提供了一定技术支持.针对海洋潮汐区环境条件,对流区深度、表面氯离子浓度、扩散系数和氯离子浓度峰值等参数是建立寿命预测模型的关键要素,本文主要考虑这几方面的影响,分析总结了实海暴露环境下氯离子侵蚀规律,从实海暴露试验与室内模拟试验的角度出发,总结了海洋潮汐区环境混凝土抗氯盐侵蚀性能的研究进展,基于相似性理论分析探讨了氯盐侵蚀规律的相似性,并进行了讨论和展望.     

考虑地下水位影响的碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输试验研究

关于碱渣土地基环境下钢筋混凝土结构耐久性问题,尚未见相关研究成果,是有待研究的课题。为探究碱渣土地基混凝土内氯离子传输规律,本工作模拟真实碱渣土地基及地下水侵蚀环境,设计了三种地下水位-0.2 m、-0.5 m、-0.8 m,开展半埋于碱渣土地基的混凝土氯离子自然扩散试验,探究不同地下水位环境下混凝土地表吸附区及地下区域的氯离子分布规律。结果表明,地表吸附区由于其蒸发浓缩及毛细作用,氯离子浓度高于地下区域。氯离子浓度随地下水位的变化呈现较大差异,地表吸附区氯离子浓度随地下水位的升高呈下降趋势,地下区域地下水位的影响主要体现在试件与水位的相对位置,地下水位以下区域氯离子浓度高于地下水位以上区域。在此基础上,探究碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输机理,基于Fick第二定律定量研究了地下水位对表面氯离子浓度及扩散系数的影响,建立考虑地下水位影响的氯离子传输时变模型,通过与实测结果对比印证了模型的正确性,本模型可为实际工程中定量评估不同碱渣土侵蚀环境下混凝土内氯离子浓度以及服役寿命预测提供技术支持。     

耦合离子与水化产物间相互作用的水泥基材料氯离子传输模型

钢筋混凝土结构为土木工程领域应用最广泛的结构形式,而氯离子诱发的钢筋锈蚀为降低混凝土结构耐久性的主要原因之一。在以往的研究中,基于Nernst-Planck方程的数值模型通常被用来模拟混凝土中离子的传输,进一步预测混凝土结构的服役寿命,然而这些数值模型并未考虑传输过程中离子与水化产物之间的热力学作用。因此,本文基于离子传输的物理化学作用的本质过程,建立了饱水状态下水泥基材料中多离子传输的数值模型。首先,采用表面络合模型和相平衡模型,建立了孔溶液中离子与水化产物间的热力学数值模型;然后,借助于算子分裂算法,求解了耦合热力学作用的Nernst-Planck方程多离子传输的有限元模型,得到了水化产物中各相成分、孔隙率及孔溶液中各自由离子浓度的演化规律。最后,通过已有文献的试验研究验证了本文建立的数值模型的准确性。     

基于FVM数值分析的海工混凝土结构耐久可靠度Monte Carlo模拟

为研究海工混凝土结构耐久性设计及寿命预测的可靠度方法,分析了耐久性设计与寿命预测的半理论、半经验解析模型方法,讨论了截面形状等条件对氯离子扩散传输的影响。该文研究应用有限体积法(FVM)分析求解混凝土中氯离子含量和蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟求解耐久失效概率,分析海工混凝土结构耐久可靠度。这种方法可简称FVM-MC方法。在FVM-MC方法中,首先采用FVM方法求解混凝土中的氯离子含量,然后采用Monte Carlo方法对失效概率进行模拟求解。验证分析表明,FVM-MC方法分析模拟精度高,是海工混凝土结构可靠度分析的一种可靠方法。计算结果表明,截面形状等对混凝土结构的耐久可靠度具有显著的影响,采用Fick第二定律解析解的半理论、半经验模型,由于没有考虑截面形状效应,增加了矩形截面构件的耐久失效风险;圆形截面具有近似一维的扩散传输特点,在条件相同情况下,其构件耐久可靠度显著地高于方形或矩形截面的构件。