基于混凝土表面SO42-浓度时变的扩散模型预测研究

为探究混凝土在硫酸盐侵蚀下的腐蚀破坏情况,通过考虑混凝土表面SO₄^2-浓度时变规律,改进现有的扩散-反应方程组,结合水泥水化、腐蚀产物填充和损伤度函数建立了硫酸盐侵蚀下混凝土扩散模型。采用Comsol Multiphysics软件模拟在不同硫酸盐浓度侵蚀下,不同侵蚀龄期内混凝土各截面SO₄^2-浓度,并将模型计算值与实测值进行对比。结果表明：在硫酸盐浓度为5%和10%的侵蚀条件下,考虑混凝土表面SO₄^2-浓度时变过程的模型计算值和实测值的最大误差分别为17.46%及19.69%,验证了模型的合理性与适用性。最后通过建立的SO₄^2-侵蚀混凝土最大深度预测模型,发现硫酸盐侵蚀混凝土的最大侵蚀深度在侵蚀前期快速增加,随着侵蚀龄期的延长而逐渐变缓,以期为混凝土的耐久性评估提供参考。     

考虑表层损伤的混凝土硫酸盐侵蚀过程分析

服役过程中,混凝土表面会因为各种因素造成表层损伤。考虑了表层损伤造成的硫酸盐扩散系数差异,基于Fick第二定律和分子反应动力学,建立了考虑表层损伤影响的混凝土中硫酸盐侵蚀扩散反应方程及其有限差分求解模型,在此基础上开展了混凝土硫酸盐侵蚀过程数值模拟。研究结果表明,表层损伤对混凝土的硫酸盐侵蚀过程有明显影响,导致内部硫酸根离子浓度和膨胀性物质钙矾石生成量的增加,其影响随损伤程度及损伤区深度的增加而增加;混凝土表层损伤对内部硫酸根离子浓度分布的影响主要体现在侵蚀早期,而混凝土表层损伤对钙矾石生成量的影响体现在整个侵蚀过程。     

自然扩散法预测感潮环境下混凝土氯离子侵蚀

通过对自然感潮环境下混凝土的自由氯离子浓度分布的分析,研究了既有混凝土氯离子侵蚀的特征及扩散特性,采用室内自然扩散法进行了模拟扩散试验,并根据Fick第二定律和Monte Carlo法分析了既有混凝土和试验混凝土的扩散参数及钢筋初始锈蚀时间.结果表明:自然环境下混凝土的氯离子侵蚀存在明显的对流区,自然扩散法的氯离子扩散系数大于自然环境下2个数量级,模拟混凝土中钢筋表面的自由氯离子浓度是自然环境下实际浓度的2倍,钢筋初始锈蚀时间是实际的240倍.     

硫酸盐侵蚀下混凝土抗压承载力退化过程的数值分析

针对硫酸盐侵蚀下混凝土结构的承载力退化问题,以混凝土柱为研究对象,利用Fick定律和化学反应动力学原理,给出了硫酸根离子在混凝土截面内的二维扩散反应模型;根据硫酸盐侵蚀混凝土的损伤机理及已有的硫酸盐侵蚀试验结果,获得了混凝土强度损伤程度与硫酸根离子浓度及侵蚀时间之间的关系;通过平截面假定,建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土柱轴向抗压承载力时变模型及其数值计算方法,并将该模型的计算结果与已有硫酸盐侵蚀混凝土的试验结果进行对比分析,验证了该时变模型及数值计算方法的正确性;最后,利用所建立的模型,对一素混凝土柱中硫酸根离子传输、混凝土强度损伤和轴向抗压承载力退化过程进行了数值分析。     

基于混凝土表面氯离子浓度时变性的氯离子扩散模型研究

通过自然扩散法研究了钢筋混凝土在硫酸盐、氯盐作用下的耐久性,测定了混凝土表面氯离子浓度,建立水灰比及硫酸根对混凝土表面氯离子浓度影响的关系,并建立基于混凝土表面氯离子浓度时变性的氯离子扩散模型,结果表明:混凝土表面氯离子浓度随着侵蚀龄期的增长逐渐趋于稳定,并且稳定后的表面氯离子浓度随着水灰比的增加而逐渐增加;硫酸盐的存在不改变表面氯离子浓度的扩散规律,但是硫酸根的存在减小了稳定后的表面氯离子浓度。     

全时域初值推进边界元法分析氯盐侵蚀下混凝土结构服役寿命

通常采用的分时段逐步推进边界元法在分析氯盐对混凝土的侵蚀问题时存在缺陷。为此,研究建立了全时域初值推进边界元法,据此计算了氯盐侵蚀环境中钢筋混凝土结构的服役寿命,分析了氯离子扩散维数对混凝土中氯离子浓度和服役寿命的影响。研究了分时段逐步推进边界元法计算氯离子扩散时产生问题的原因。算例结果表明：混凝土中氯离子扩散的维数将直接影响到混凝土结构的服役寿命,必须在设计中加以考虑。而且,全时域初值推进边界元法可以消除混凝土中氯离子扩散域内的积分项,避免域内离散,因此与分时段逐步推进边界元法相比,能够简化计算格式,提高迭代收敛过程的稳定性和计算结果的精度,减少计算耗时。     

硫酸盐侵蚀对混凝土强度的影响分析

为了明确硫酸盐浓度和侵蚀时间对于混凝土力学性能产生的影响,需要利用不同高浓度的硫酸盐溶液侵蚀混凝土;针对不同腐蚀时间的混凝土,开展单轴抗压试验,以明确在硫酸盐侵蚀过程中混凝土强度变化情况.根据结果可以明确,如果硫酸盐溶液浓度相同,增加了侵蚀时间之后,混凝土单轴抗压强度首先增加,随后再减少;在侵蚀前期,逐渐提高硫酸盐浓度,可以提高混凝土强度,而在腐蚀后期,降低硫酸盐浓度,混凝土强度随之降低.     

硫酸盐侵蚀下轴心受压钢筋混凝土柱应力时变过程的数值分析

针对荷载和硫酸盐耦合作用过程中钢筋混凝土柱的应力分析问题,在已有混凝土内硫酸根离子扩散反应模型的基础上,进一步给出了硫酸盐侵蚀引起的混凝土损伤程度与硫酸根离子浓度及腐蚀时间之间的关系,建立了与损伤程度相关的混凝土腐蚀本构模型及轴压混凝土柱截面应力的计算方法,并通过数值模拟分析了柱截面内硫酸根离子传输、腐蚀损伤程度变化、截面应变和应力分布规律。结果表明:硫酸根离子浓度和混凝土损伤程度在柱截面内呈梯度分布,且受二维交互效应的影响明显;随腐蚀时间的增加,截面损伤区逐渐向内移动且其宽度增加,而混凝土应力在损伤区呈先增加后逐渐降低、在未损伤区基本呈线性增加的趋势。硫酸盐侵蚀过程中,轴压混凝土柱截面应力发生了明显的重分布现象。     

硫酸盐对混凝土侵蚀的交流阻抗研究

应用交流阻抗谱方法,研究了硫酸盐对混凝土的化学侵蚀．由于硫酸盐溶液在混凝土中不形成氧化还原体系,故研究采用了与水化过程的阻抗谱相对比的方法,通过混凝土试样在硫酸盐溶液中和水中扩散阻抗系数的不同,观察了试样在硫酸盐侵蚀下毛细结构的变化．陶粒混凝土在硫酸盐侵蚀下产生了特殊的交流阻抗谱,其复平面图呈双曲正切型,它是由在陶粒混凝土中产生的有限扩散层所引起的．根据混凝土介质中扩散系数的特征,对扩散层的厚度进行了定性讨论．     

带裂缝混凝土内氯离子的输运规律

通过分析带裂缝混凝土内的氯离子扩散系数,建立了裂缝处氯离子扩散的数值理论模型,借助有限元数值分析的方法,模拟了带裂缝混凝土内氯离子在的输运过程,主要考察了裂缝特征参数对氯离子扩散过程的影响。数值模拟结果表明,裂缝的存在对氯离子在混凝土中的传输有一定影响,裂缝周围的氯离子浓度明显高于无裂缝混凝土中的氯离子浓度,与裂缝的距离越大,截面上的氯离子浓度越低,而裂隙频数的增加,加强了氯离子在混凝土中的扩散过程;裂缝的宽度、深度及侵蚀时间对氯离子在混凝土中的扩散有一定的影响,其中裂缝宽度的变化比较敏感,随着侵蚀时间的增加,氯离子的浓度随裂缝宽度的增加而增大;当裂缝宽度介于上下限值之间时,裂缝深度的变化对氯离子浓度的影响的不敏感,裂缝深度的变化在裂缝宽大于上限值时,对氯离子的浓度分布影响较大。