混凝土中氯盐-硫酸盐耦合侵蚀的化学-损伤-传输模型研究进展

服役于氯盐和硫酸盐耦合环境的钢筋混凝土结构,很容易因为氯盐和硫酸盐的侵蚀引起性能退化。本文从氯盐和硫酸盐的侵蚀机理出发,系统地分析了硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤前后氯离子和硫酸根离子的扩散-结合过程。基于经典的扩散-反应模型以及化学-损伤-传输理论框架,详细阐述离子活度、环境温湿度、微观结构、钙溶蚀等因素对化学-损伤-传输体系的影响,并从热力学角度介绍了氯离子和硫酸根离子耦合传输的热力学模型。基于上述分析,对目前研究存在的问题进行了展望。     

海洋大气环境下粉煤灰混凝土耐久性研究

海洋大气环境中的混凝土结构不仅要遭受盐雾腐蚀,同时还要受碳化影响。在盐雾腐蚀及碳化双重作用下,混凝土结构极易发生钢筋锈蚀。本文开展了盐雾腐蚀及碳化双重作用下的氯离子侵蚀试验研究。研究结果表明:当粉煤灰掺量不超过30%时,粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀能力随粉煤灰掺量的增加而提高。碳化反应不仅造成混凝土孔隙溶液pH值下降,同时粗化了混凝土的孔隙,引起混凝土微观结构重分布,破坏原有的过滤机制,使得侵蚀环境中的氯离子更容易渗入。采用修正后的Fick第二扩散定律解析解对盐雾环境下混凝土中的氯离子浓度进行非线性拟合,具有良好的相关性。     

沿海混凝土结构氯离子对流区深度计算模型

沿海干湿交替环境下的氯离子传输方式和影响机理等问题是混凝土耐久性研究的主要内容,描述混凝土内部氯离子传输行为的计算模型通常由偏微分方程组成,求解方法较为复杂。为了简单而相对精确地分析氯离子的传输过程,本文提出了计算修正Fick定律模型中对流区深度参数Δx的新途径,通过综合考虑混凝土细观尺度组成、环境温度场变化、水分迁移和氯离子传输等因素,建立起干湿交替区域氯离子传输的计算模型,依据该模型可以较为准确地得到Δx的数值,进而对不同服役环境中的氯离子传输展开分析,根据计算结果给出考虑服役时间、日平均气温和干燥湿润时间比等参数的对流区深度Δx时变公式。这些公式提高了预测干湿交替环境中氯离子传输的修正Fick定律模型的适用性与准确性,可为干湿交替环境中的混凝土结构耐久性设计提供了简单有效的计算方法。     

干湿交替下表层混凝土中氯离子传输:原理、试验和模拟

在干湿交替下表层混凝土内水分的不同传输机理的基础上,建立了干湿交替下表层混凝土内氯离子传输模型。利用上游加权"预估–校正"有限差分格式求解了对流占优的氯离子对流–扩散问题。进行了混凝土的氯离子吸附试验,并采用分段函数来表达氯离子吸附曲线。进行了为期120d的干湿交替下混凝土内氯离子传输试验研究。利用建立的模型和试验测得的基本材料参数进行了数值计算,计算结果同干湿交替试验中实测的氯离子含量分布吻合较好,证明了干湿交替下表层混凝土内氯离子传输模型的正确性和考虑干湿交替过程水分本身传输的重要性。研究表明:干湿交替下混凝土内氯离子入侵比永久浸没于氯盐溶液中的混凝土要严重得多。同时,由于混凝土对氯离子的强吸附性,干湿交替下混凝土中氯离子传输的影响深度小于水分传输。     

海洋大气区预应力混凝土氯离子传输时间相似关系研究

海洋大气区预应力混凝土内氯离子在现场环境与实验室内传输的过程有所不同.为探究二者的时间相似关系,本文基于相似理论,以连云港某港区在役混凝土构件为参照物,制定室内人工气候模拟加速试验制度,并浇筑12根与现场构件材料、受力相似的试验梁进行盐雾喷淋侵蚀.通过检测现场和室内试验构件中的自由氯离子含量并计算其表观氯离子扩散系数,以时间衰减系数为工具,分析水胶比、预应力张拉水平、粉煤灰掺量对氯离子扩散的影响,得出预应力混凝土内氯离子传输的时间相似系数表达式,并利用实际工程验证该表达式的准确性,说明基于相似理论的预应力混凝土内,氯离子传输的时间相似关系可用来研究海工预应力混凝土结构耐久性寿命预测问题.     

冻融循环下混凝土中氯离子传输研究进展

钢筋混凝土结构遭受氯盐侵蚀和冻融循环的共同作用时,其耐久性能会迅速降低。本文针对冻融循环下混凝土中氯离子传输过程,从混凝土物理性能、氯离子传输性能和保护措施3个方面总结相关研究成果。冻融循环过程中混凝土损伤分为两个阶段,两阶段损伤理论可以较好描述冻融损伤初始和扩散阶段。结合实验可量化氯盐侵蚀和冻融循环双重作用下混凝土的损伤程度,冻融损伤和氯离子扩散系数之间的关系能够有效描述冻融循环对氯离子传输的加速效应,以此为基础可探究各影响因素对冻融循环下混凝土中氯离子传输性能的影响。但是目前的研究结果、规律多为实验室条件下获得,对于定量评估实际混凝土结构的寿命仍有局限性。最后介绍了3种常见的防护方法,分别是表面处理、电化学修复/防护技术以及添加掺合料,并对未来该领域的发展方向从实验、理论和模型三方面进行展望。     

弯拉荷载和碳化耦合作用下氯离子扩散试验研究

为了解决盐雾区弯拉荷载和碳化耦合作用下氯离子在混凝土中的传输问题,设计了荷载对氯离子、碳化对氯离子扩散影响的试验,由于荷载作用会对碳化有所影响,进而再次影响氯离子的扩散作用,因此设计了荷载对碳化深度影响的试验.以Fick第二定律为基准模型,通过对以上三个实验数据的整理并结合已有的研究成果逐步建立了荷载碳化耦合作用下对氯离子扩散的影响关系,该模型对盐雾区受拉构件使用寿命的估算具有一定的指导意义.通过理论公式的计算结果与实验数据进行对比,误差低于5%,从而进一步说明了这样分步建立模型方法的正确性.     

荷载作用对混凝土中氯盐传输的影响研究进展

服役过程中的混凝土结构都要承受荷载与环境的共同作用。针对海洋环境和除冰盐环境,从材料学角度和多尺度层次概述了目前关于荷载作用对混凝土中氯盐传输影响的研究。重点论述了荷载作用对混凝土中氯盐传输的影响机理、试验方法,以及轴压荷载、弯曲荷载和荷载裂缝对氯盐传输影响的研究进展,对存在的有关问题进行了讨论,并提出了进一步研究的相应建议。     

基于多因素耦合作用的混凝土氯离子迁移规律试验研究

碳化、氯离子侵蚀、荷载三者共同作用对沿海地区混凝土结构耐久性具有重要影响.以C25级普通混凝土为研究对象,针对应力、碳化和氯盐三因素共同作用,借助室内试验手段,对混凝土试样进行加载及快速碳化试验,研究了耦合作用下混凝土中的氯离子迁移机理,建立了应力-碳化-氯盐多因素共同作用下的氯离子传输模型.研究表明:当碳化时间较短时,氯离子扩散系数随荷载等级的增加而不断减小;当碳化时间较长时,氯离子扩散系数在荷载等级较小阶段会有显著下降趋势,而在荷载等级达到60％极限抗压强度以上时,呈现陡增陡降的变化过程.研究成果可以完善结构耐久性设计理论和方法.     

干湿交替对混凝土中氯离子分布影响的多相耦合数值分析

钢筋混凝土结构的耐久性会因为氯盐侵蚀而受到严重影响。为研究环境湿度对混凝土中氯离子分布的影响,建立了多相耦合的氯离子侵蚀模型,利用数值模拟方法探讨了氯离子侵蚀过程随环境湿度变化的规律。结果表明,环境湿度的改变不仅使混凝土中含水率产生变化,而且对混凝土中氯离子的分布产生显著影响,尤其是会引起孔隙中盐分结晶,这是混凝土性能退化的主要原因之一。数值模拟结果可为混凝土结构的减防腐蚀灾害设计提供重要的参考。     

氯盐环境条件下混凝土氯离子侵蚀模型进展

通过对钢筋混凝土氯离子腐蚀机理的分析,综合讨论氯离子环境条件下影响混凝土氯离子侵蚀的各种机理。总结国内外混凝土氯离子侵蚀模型的最新进展,并分析评价了考虑多种机理的氯离子侵蚀模型的特点和使用条件,为氯盐环境条件下混凝土的耐久性评估提供参考。     

基于随机细观骨料的钢筋表面氯离子浓度概率分布研究

氯盐侵蚀诱发钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要因素之一。研究钢筋表面氯离子浓度概率分布对于预测海洋工程的服役性能具有十分重要的意义。通过引入随机厚度的界面过渡区,建立了包含骨料、界面过渡区以及砂浆的三相混凝土细观模型。在此基础上,结合氯离子扩散理论,建立了氯离子扩散细观数值模型。研究结果表明,骨料对氯离子的扩散具有阻碍作用,增加了氯离子的扩散路径。通过对6 000个钢筋表面氯离子浓度的模拟结果进行统计分析,发现:当骨料率为40%(体积分数)时,钢筋表面氯离子浓度呈双峰分布;当骨料率小于40%时,钢筋表面氯离子浓度近似呈正态分布;随着骨料率的增加,钢筋表面氯离子浓度不断减小,变异系数不断增大。     

输电线路钢筋混凝土氯离子二维扩散性数值研究

考虑到铁塔基础横截面形状对氯离子扩散性的影响,本文对应力损伤下钢筋混凝土结构氯离子二维扩散机理进行了数值研究.在综合分析氯离子扩散系数影响因素的前提下,首先建立了混凝土氯离子扩散的有限元模型,具体研究了应力损伤下横截面形状、钢筋直径和保护层厚度对混凝土氯离子传输特性的影响.研究表明,横截面形状对混凝土氯离子扩散性有重要影响,矩形截面角点附近的氯离子浓度要高于其他截面.对于相同的横截面形状,钢筋与混凝土交界面处的氯离子浓度明显高于远离钢筋的位置.     

基于混凝土裂缝特征的氯离子传输性质研究进展

介绍了混凝土裂缝的诱导试验方法和已开裂混凝土中氯离子传输的试验方法、表征手段及传输性质的影响因素。对比分析了机械力学破损法和非机械力学无损法的差异,阐述了裂缝宽度、裂缝深度、水胶比、水泥与矿物掺合料及其外加剂的含量、保护层厚度、环境氯离子溶液浓度及暴露周期、荷载作用对已开裂混凝土中氯离子传输性质的影响,并对氯离子的传输机理与性质的研究进行了展望。对于混凝土裂缝诱导试验方法,非机械力学无损法适合于定量研究不同裂缝特征对混凝土传输性质的影响,但需建立人造裂缝与实际工程裂缝在混凝土传输性质上的相关性。小于100μm的裂缝宽度对混凝土中氯离子传输速率的影响显著;当裂缝宽度大于100μm时,混凝土中氯离子的传输速率变化较小。此外,较高的裂缝深度与水灰比均对混凝土中氯离子传输速率的增加有明显促进作用,但是增加水泥用量与掺加适量矿物掺合料,可减缓已开裂混凝土中氯离子的传输速率。     

钢筋混凝土中防腐添加剂的研究进展

在钢筋混凝土结构服役过程中,由环境侵蚀因素导致的耐久性问题是制约结构长效服役的重要原因,其中,氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土耐久性劣化的主要因素之一。在混凝土内掺加防腐添加剂,可从促进钢筋表面成膜和改善混凝土自身性能(孔隙结构、水化过程、Friedel’s盐生成)等方面提升阻锈能力,近年来逐渐成为研究热点。本文将防腐添加剂分为传统阻锈剂、绿色植物提取物阻锈剂、纳米材料以及矿物掺合料等四类,从材料开发、作用机制、阻锈影响因素等方面对防腐添加剂的研究进行了综述。最后,探讨了防腐添加剂研究中存在的问题,并对未来的研究提出了建议,以期为防腐添加剂能够更好地防治混凝土中的钢筋锈蚀问题提供参考。     

混凝土中钢筋锈蚀研究现状与热点问题分析

在恶劣环境条件下,混凝土结构中钢筋的锈蚀问题已成为腐蚀领域和土木工程材料领域共同关注的话题。引起混凝土中钢筋钝化膜破坏进而诱发锈蚀的机理尚未明确,且影响钢筋锈蚀发展的因素复杂多变,最终导致了钢筋混凝土结构过早失效,严重影响了钢筋混凝土结构的服役寿命。首先,评述了导致钢筋锈蚀的3大原因(氯离子侵蚀、碳化作用与杂散电流);其次,阐述了影响钢筋锈蚀发展的重要因素(相对湿度、氧气扩散与温度等);最后,依据研究现状着重分析了钢筋锈蚀研究中出现的氯离子临界值,钢筋–混凝土界面区,开裂–锈蚀交互作用等热点问题。对今后钢筋锈蚀的研究重点进行了展望。     

水灰比和应力水平对混凝土中氯离子传输的影响

为了得出水灰比和应力水平对氯离子在预应力混凝土内的传输的影响,以水泥砂浆中的氯离子扩散系数为纽带,建立了混凝土中氯离子扩散系数与水灰比的关系.引入应力水平对氯离子扩散系数的影响函数,通过试验拟合得到该影响函数的表达式,得出一定水灰比和应力水平下混凝土中氯离子扩散系数的计算模型.设计两组不同水灰比的预应力混凝土构件和普通混凝土构件,对其进行氯盐侵蚀试验,在侵蚀3个月后检测构件中的自由氯离子含量并计算表观氯离子扩散系数.结果表明,由该模型得到的氯离子扩散系数理论值与试验值的误差在可接受的范围内,说明本文计算模型具有较高的可靠性.     

海工混凝土表面氯离子浓度时间相似关系研究

根据相似理论,以混凝土表面氯离子浓度时变性为纽带,建立现场环境和人工模拟加速侵蚀环境下混凝土构件的时间相似关系.分别对海工混凝土构件和试验构件做取粉试验,通过RCT法检测构件中自由氯离子含量并计算表面氯离子浓度值,分析表面氯离子浓度的时变模型.最终提出时间相似系数表达式并计算得到时间相似系数,为服役中的混凝土结构寿命预测奠定基础.     

干湿循环与受弯裂缝共同作用下海工砼梁内氯离子侵蚀及耐久性寿命预测

基于受弯裂缝对浪溅区海工混凝土内氯离子输运的影响分析,综合考虑混凝土损伤、混凝土结合氯离子能力、表层对流效应以及时间劣化效应等因素,建立了修正氯离子扩散模型.采用受弯开裂荷载与氯盐干湿循环共同作用试验来模拟浪溅区实际服役状态的海工混凝土梁内氯离子侵蚀过程,从而对上述模型进行验证.基于蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,应用等效氯离子扩散系数的修正计算模型进行混凝土结构的耐久性寿命预测.研究结果表明,混凝土梁受弯开裂处的等效氯离子扩散系数与裂缝宽度、粉煤灰掺量呈指数函数关系.考虑海工混凝土结构的重要使命,将钢筋脱钝时间作为混凝土结构的耐久性极限,讨论了保护层厚度、粉煤灰掺量以及受弯裂缝宽度对混凝土结构耐久性寿命的影响,相关研究成果可为实际海工混凝土结构耐久性设计及寿命评估提供一定的借鉴.     

干湿循环和暴露对混凝土氯离子结合能力相关性研究

进行了盐湖现场暴露和干湿循环环境下钢筋混凝土梁腐蚀试验,分别测定了不同试验环境下钢筋混凝土梁在不同深度的总氯离子浓度和自由氯离子浓度,运用回归分析干湿循环和盐湖现场暴露环境下混凝土氯离子结合能力的相关性系数K与扩散深度、混凝土抗强度的关系。结果表明：随着氯离子扩散深度和混凝土的抗压强度的增加,氯离子结合能力相关性系数K呈指数函数形式递减,研究成果可用于利用干湿循环测定的氯离子结合能力来预测实体结构不同深度内的氯离子结合能力。