考虑氯离子侵蚀维度的钢筋混凝土码头服役寿命预测

合理评估和预测海洋环境下考虑氯盐侵蚀的钢筋混凝土(RC)码头结构服役寿命,对港口正常、安全运营意义重大.根据混凝土多相复合材料的细观组成结构,建立考虑粗骨料为凸多边形的混凝土细观数值模型.基于氯离子侵蚀混凝土的有限元数值模拟仿真方法,评估得到混凝土细观模型中氯离子一维、二维侵蚀的浓度分布,并建立氯离子一维、二维侵蚀模型.以沿海某RC高桩码头工程中方桩构件为例,根据建立的氯离子侵蚀模型并结合钢筋锈蚀速率模型,预测RC方桩构件的服役寿命.结果表明:在氯离子二维侵蚀下RC方桩的服役寿命预测值较一维侵蚀提前了约34％,RC结构的服役寿命大幅缩短.建议在RC码头耐久性设计过程中充分考虑氯离子侵蚀维度对结构物服役寿命的影响,以保障RC码头结构的运营安全.     

持压荷载与干湿循环作用下再生混凝土氯盐侵蚀行为

采用干湿比为3∶1和质量分数为5wt%的NaCl溶液,开展了持压荷载与干湿循环共同作用下不同再生粗骨料取代率(r=0%、30%、50%、100%)混凝土的氯离子传输试验,分析了持压应力水平(λ_c=0.1、0.3、0.5)对氯盐侵蚀性能的影响。基于非饱和混凝土的氯离子对流-扩散模型,提出了考虑应力水平和再生骨料取代率影响的水分和氯离子扩散系数模型,并验证了该模型的有效性。结果表明：相同再生粗骨料取代率的混凝土内自由氯离子含量、氯离子扩散系数和表面氯离子浓度均随应力水平的增加呈先减小后增大的趋势,同一应力水平下与再生粗骨料取代率呈正相关,再生粗骨料取代率为100%的试件承受0.1f_c、0.3f_c、0.5f_c(f_c为再生混凝土(RAC)立方体抗压强度值)应力作用的氯离子扩散系数分别是无应力状态的0.97、0.88和1.48倍;所建立的持压荷载与干湿循环作用下RAC氯离子传输模型,为再生混凝土耐久性分析提供理论依据。     

干湿循环作用下水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能及其微观结构变化

为了进一步揭示干湿循环条件下氯离子对水泥基复合材料的侵蚀机制,分别研究了两种水灰比水泥混凝土、砂浆及净浆三种层次试件在干湿循环条件下的抗氯离子侵蚀性能。结果发现,干湿循环作用能促进氯离子入侵速度,增加氯离子入侵深度和浓度,并且水胶比越大,干湿循环作用影响效果越明显;掺入矿粉能增加水泥基复合材料抗氯离子入侵性能,并且降低干湿循环作用的影响效果。净浆样品侵蚀前后的微观结构变化表明,干湿循环作用下,经氯盐侵蚀后水泥基复合材料净浆试件表层明显有Friedel盐生成,而矿粉的加入明显增加了样品中Friedel盐的生成量。     

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.     

干湿循环作用对混凝土抗氯离子渗透侵蚀性能的影响

为了加速模拟海洋潮差区环境对混凝土耐久性能的影响,掺入矿粉和纳米改性矿物掺合料,研究了氯盐干湿循环作用对混凝土抗氯离子侵蚀性能及微观结构的影响,并将干湿循环试验与常规浸泡试验进行了对比。结果发现,干湿循环作用粗化了混凝土试件表层孔结构,增大了孔径>50 nm的孔隙含量,显著提高了自由及总氯离子浓度;掺入纳米改性矿物掺合料能降低混凝土内部孔隙率,减少有害孔含量,提高混凝土内部氯离子结合能力;干湿循环60天后混凝土表层Ca（OH）₂逐渐被消耗,生成了Friedel盐和CaCO₃。      

海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀机理及监测技术概述

2014年我国由于腐蚀产生的损失约为21 278亿元,占国家GDP的3.34%。海洋环境中氯离子渗透至混凝土内部导致钢筋锈蚀是海洋环境下混凝土结构损伤的重要原因。海洋不同腐蚀区域的离子浓度、氧气浓度及海水干湿循环作用时间各不相同,这使得海洋不同腐蚀区域中暴露混凝土的氯离子传输速度和分布规律、钢筋锈蚀产物及锈蚀模式、钢筋锈蚀速率存在显著差异。其中海洋浪溅区和高潮位区域因氧气充足、海水干湿循环作用剧烈及浪溅作用导致钢筋混凝土更易破坏。钢筋锈蚀产物体积是原始体积的2~6倍,持续增加的锈蚀产物将导致混凝土开裂、保护层剥落并进一步加速钢筋锈蚀;考虑钢筋非均匀锈蚀、锈蚀产物填充效应、钢筋及混凝土性能的钢筋混凝土锈胀开裂模型将更加精确。根据海洋不同腐蚀区带特点、钢筋混凝土性能及受荷情况,建立不同腐蚀区域中混凝土的氯离子传输模型,钢筋锈蚀速率模型和混凝土锈胀开裂模型有助于准确预测海洋环境下钢筋混凝土的服役寿命。 通过对混凝土中钢筋锈蚀的检测与监测有助于实时了解混凝土的服役状态。采用线性极化、电化学噪声和电化学阻抗谱等电化学方法可以较好地检测钢筋锈蚀状态、获得混凝土中钢筋的锈蚀速率。基于电化学原理开发的阳极梯和环形电极、基于钢筋锈胀应力测试的光纤监测技术以及基于数字图像技术获得混凝土中钢筋锈蚀应力应变场,有助于实现对混凝土中钢筋锈蚀的监测,并且部分已应用于海洋工程。相比于普通钢筋,锈蚀钢筋的导电率和导磁率均显著降低,采用电磁感应原理开发钢筋锈蚀装置实现了暴露在海水中的普通钢筋和耐蚀钢筋磁通量变化值与钢筋质量损失线性关系的建立。这也为更精确监测混凝土中钢筋锈蚀全过程、实现混凝土中钢筋锈蚀源定位及损伤程度识别提供可能。因此,综合利用氯离子、pH微电极等实现混凝土内部微环境监测,开发先进的钢筋锈蚀监测传感器实现混凝土中钢筋锈蚀源和锈蚀速率监测,通过图像监测技术实现钢筋锈蚀诱导混凝土开裂过程监测。综合上述措施将实现对钢筋混凝土结构腐蚀的全过程监测,并为海洋钢筋混凝土服役寿命预测模型的验证与修正提供依据,同时为海洋环境混凝土的耐久性评估系统提供预警机制。     

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。     

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.     

裂缝对混凝土内氯离子扩散和钢筋锈蚀的影响

为了研究受力裂缝对混凝土内氯离子扩散的影响,对8根开裂(预制裂缝和受弯裂缝)的钢筋混凝土梁试件进行了盐溶液干湿循环试验;并采用半电池电位法和RCT(快速氯离子含量检测)法,分别对梁内钢筋的锈蚀状态以及各裂缝处氯离子含量进行了检测;最后采用ADINA有限元软件对开裂混凝土内氯离子的二维扩散行为进行模拟分析。试验和模拟结果表明:1)裂缝加速了氯离子的侵入,导致钢筋过早的开始锈蚀,且为局部氯离子的二维扩散提供了条件;2)裂缝宽度越大或间距越小,其对氯离子侵入引起的钢筋锈蚀影响程度越大;3)有限元模型的计算与试验结果吻合较好。     

Convolutional Neural Network-Based Regression for Predicting the Chloride Ion Diffusion Coefficient of Concrete

The durability performance of reinforced concrete (RC) building structures is significantly affected by the corrosion of the steel reinforcement due to chloride penetration, thus, the chloride ion diffusion coefficient should be investigated through experiments or theoretical equations to assess the durability of an RC structure. This study aims to predict the chloride ion diffusion coefficient of concrete, a heterogeneous material. A convolutional neural network (CNN)-based regression model that learns the condition of the concrete surface through deep learning, is developed to efficiently obtain the chloride ion diffusion coefficient. For the model implementation to determine the chloride ion diffusion coefficient, concrete mixes with w/c ratios of 0.33, 0.40, 0.46, 0.50, 0.62, and 0.68, are cured for 28 days; subsequently, the surface image data of the specimens are collected. Finally, the proposed model predicts the chloride ion diffusion coefficient using the concrete surface image data and exhibits an error of approximately 1.5E−12 /s. The results suggest the applicability of proposed model to the field of facility maintenance for estimating the chloride ion diffusion coefficient of concrete using images.     

氯盐环境下纤维编织网增强混凝土拉伸性能

通过拉伸试验研究了氯盐干湿、氯盐冻融循环和常规环境下纤维编织网层数、种类以及氯盐浓度和循环次数等因素对纤维编织网增强混凝土（纤维/混凝土）拉伸性能的影响。结果表明：三种环境下,增加纤维编织网层数均可提高纤维/混凝土的拉伸性能,且碳纤维编织网较玄武岩纤维编织网的增强作用更明显;氯盐浓度、干湿或冻融循环次数对纤维/混凝土拉伸极限荷载影响不明显;常规环境和氯盐干湿循环下,掺入短切聚乙烯醇（PVA）纤维和耐碱玻璃（AR-glass）纤维均可以提高纤维/混凝土的拉伸极限荷载;氯盐冻融循环下,掺入短切PVA纤维的纤维/混凝土的拉伸极限荷载未有提高,而掺入短切AR-glass纤维的纤维/混凝土的拉伸极限荷载增大。     

Service life prediction of repaired concrete structures under chloride environment using finite difference method

Service life of concrete structures under chloride environment can be predicted by formulations based on the mechanism of chloride ion diffusion. This mechanism can be mathematically described using the partial differential equation (PDE) of the Fick’s second law. One-dimensional PDE can be solved analytically by assuming constant surface chloride ion concentration and constant diffusion coefficient. However, the solution becomes more complicated when two additional conditions are included, i.e., concrete cover repair or replacement and time dependent variation of the surface chloride ion concentration and diffusion coefficient. In this paper, a numerical finite difference based formulation is proposed to effectively accommodate these two additional conditions. By virtue of numerical computation, the nonlinear initial chloride ion concentration can be treated in point-wise manner and both the time dependent surface chloride ion concentration and diffusion coefficient can be iteratively updated. Based on a Crank–Nicolson scheme within the finite difference method, a proper formulation accounting for space-dependent diffusion coefficient was derived; chloride ion concentration profiles are obtained and the service life of repaired concrete structures under chloride environment is predicted. Numerical examples and observations are finally presented.     

A model for a long-term diffusion of multispecies in concrete based on ion–cement-hydrate interaction

A model for simulating a long-term diffusion in concrete under submerged conditions has been developed. The model focuses on the interaction between cement hydrates and electrolyte solution adopting the physical properties of concrete as alternative parameters for estimating long-term diffusion. The model was verified by the large variety of long-term experimental data involving verification of cement hydrates, porosity properties, pH value, element distribution, and chloride penetration for sulphate-resistant Portland cement (SRPC) concretes. Evaluating impacts of hundreds of years’ exposure on concrete durability, a simulation was also performed for an exposure time of 500 years. The results confirmed the importance of ion–cement-hydrate interaction in the evaluation of a long-term diffusion of harmful substances such as chlorides into concrete. The simulation results show also that the solid phases of the SRPC concrete mix that was used are stable in the long-term. The threshold concentration of chlorides which may initiate reinforcement corrosion defined as Cl^?/OH^? ratio could be exceeded in concrete after moderate exposure period under the conditions investigated with typical protective concrete layers. Using of case-specific values for a threshold chloride content and evaluating the method used for estimating the initiation time of reinforcement corrosion are recommended in the structures with a long-design service life.     

饱和钢纤维再生混凝土氯离子扩散特性研究

利用废弃骨料制作再生混凝土是建筑固废弃物的再生资源利用途径之一,其在氯盐侵蚀环境条件下的耐久性规律与普通混凝土不同。本文以模拟海洋侵蚀环境,通过改变水灰比及NaCl溶液浓度,分析各因素对钢纤维再生混凝土氯离子扩散行为的影响规律。结果表明:浸泡液浓度越大,进入混凝土内部的氯离子越多,随着深度的增加氯离子含量逐渐减少;较低的水灰比与适量钢纤维的掺入均可以有效降低氯离子扩散系数,提升钢纤维再生混凝土的抗氯盐侵蚀能力;氯离子扩散系数随着NaCl溶液浓度的增加而增大。     

氯离子在混凝土中扩散传输的有限体积法模拟分析

基于氯离子在混凝土结构中的扩散传输理论,建立了氯离子扩散传输偏微分方程,讨论了边界与初始条件。根据因变量在有限大小的控制体积中满足守恒定理,建立了氯离子在混凝土中扩散传输的离散方程,编制了计算程序。算例分析表明,有限体积法可以很好地模拟氯离子在混凝土中的扩散传输,可以分析计算复杂边界条件下的混凝土内的氯离子分布,并对受氯离子侵蚀混凝土结构的使用寿命进行预测分析。     

弯曲荷载与氯盐侵蚀共同作用下的预应力混凝土梁耐久性能研究

当前在进行海工混凝土结构受氯盐侵蚀的耐久性研究时往往忽略了混凝土力学损伤的影响,这可能会导致高估结构的耐久性能。该文提出了在数值分析中引入损伤因子实现综合考虑结构损伤影响及氯盐侵蚀共同作用的分析方法,通过干湿循环的氯盐侵蚀试验与数值模拟分析,研究遭受氯盐腐蚀且受到长期荷载作用的预应力混凝土梁的耐久性能。结果表明,数值分析结果和试验结果吻合良好。参数分析结果表明:0.2mm宏观裂缝的出现对氯离子浓度有着较为显著的影响,未出现宏观裂缝时,拉应力对氯离子输运的影响较为有限;荷载比的大小影响结构的损伤范围和程度,进而影响氯离子在混凝土内的传输;梁构件施加预应力后,在15%和30%两种低荷载比状态下延缓其力学损伤（裂缝）的开展,减小荷载作用对氯离子扩散系数的增大效应,有效提高构件的抗氯盐侵蚀性能,当荷载比增加到45%以上,普通钢筋混凝土梁相对于预应力梁的氯离子浓度增比降至10%以内,这表明较高应力比下预应力对梁抗氯盐侵蚀能力的影响减弱。