钢筋表面氯离子浓度预测实用模型及数值研究

钢筋表面氯离子是诱发钢筋锈蚀的主要原因之一,因此,预测钢筋表面氯离子浓度对钢筋混凝土结构的耐久性预测具有十分重要的意义.根据氯离子扩散理论和混凝土随机骨料模型建立氯离子在混凝土中扩散理论模型,通过对氯离子侵蚀混凝土扩散理论模型的Monte-Carlo数值模拟的结果回归分析,建立了钢筋表面氯离子浓度预测高斯函数实用模型.分析了实用模型中三个参数的物理含义,同时建立了实用模型中参数与侵蚀时间、骨料率之间的函数关系.实用模型为实际工程的氯离子浓度预测提供了极大的便利.     

再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀的多相数值研究

为定量分析再生骨料混凝土各组成相对其抗氯离子侵蚀性能的影响,研究建立可实现任意体积分数再生粗骨料随机分布的再生混凝土五相细微观数值模型,包括新砂浆、新界面过渡区、旧砂浆、旧界面过渡区和核心区原始天然骨料.根据各相氯离子扩散性能和几何性质的不同,探究再生粗骨料体积分数、旧砂浆附着率及新、旧界面过渡区厚度等关键几何参数对再生混凝土抗氯离子侵蚀性能及离子时空分布的影响.结果 表明:作为再生骨料混凝土的重要组成部分,附着旧砂浆和核心区天然骨料的性质与含量对其抗氯离子侵蚀性能起着相互博弈的效应,导致再生骨料混凝土有效氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增大而产生明显波动,尤其是当旧砂浆附着率较小时,此现象尤为明显;当骨料体积分数一定时,再生骨料混凝土氯离子扩散性能随着旧砂浆附着率的增大而增强,且增幅随着骨料体积分数的增大而增大;再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀性能与新、旧界面过渡区的厚度呈负相关关系.     

基于细观尺度的再生混凝土性能研究综述

基于当前国内外学者对再生混凝土性能试验的结果,研究骨料、砂浆、界面过渡区等细观参数对再生混凝土宏观性能影响.在骨料方面,骨料分布的均匀程度高、颗粒级配较好、大中型骨料颗粒数越多的再生混凝土在抗拉、抗压、抗折强度及弹性模量等方面都会有所提高;在砂浆方面,随着新、老砂浆的强度提高,再生混凝土力学性能更好,老砂浆厚度越高,再生混凝土内部氯离子浓度越大;在界面过渡区方面,随着新、老界面过渡区弹性模量的提高,再生混凝土的性能表现地越好,界面过渡区厚度越大,氯离子扩散系数越大.     

基于均匀化理论的混凝土等效弹性模量预测

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及骨料-水泥砂浆间界面过渡区构成的三相复合材料,基于Python语言,运用蒙特卡罗方法建立具有周期性的混凝土单胞模型,结合均匀化理论和周期性边界条件,提出了考虑界面层作用的混凝土等效弹性模量预测方法。采用已有文献结果验证了模型预测值的有效性,在此基础上,进一步研究单胞尺寸、界面层厚度、骨料体积率及骨料最大粒径对混凝土等效弹性模量的影响规律。结果表明,混凝土单胞模型可有效预测混凝土复合材料的弹性性能,与已有方法预测结果的误差范围为1.87%～4.97%,混凝土单胞模型的尺寸建议以150 mm为宜,20%～40%内的骨料体积率对混凝土等效弹性模量的影响最为明显,而界面层厚度与骨料最大粒径对混凝土弹性模量的影响较小,呈单调递减或单调递增的影响规律。     

考虑骨料表面强化的再生混凝土内氯离子传输细观数值模拟

采用纳米强化再生骨料表面的措施来改善再生骨料性能,建立多相再生混凝土细观数值模型,进行氯离子在再生混凝土内部传输的模拟和试验验证,并预测了氯盐环境下再生骨料表面强化混凝土耐久性寿命。结果表明:数值模拟得到的氯离子在再生混凝土内的分布与试验结果吻合较好;同一深度处,越靠近骨料表面,氯离子浓度越大,其中未强化再生骨料表面的氯离子浓度要大于强化再生骨料表面的氯离子浓度;增加保护层厚度可以有效提高纳米强化再生混凝土在氯盐环境下的耐久性寿命;随纳米包裹层氯离子扩散系数的减小,再生混凝土的耐久性寿命有所增加。     

再生砂粉混凝土抗压强度与细观损伤研究

为研究再生砂粉混凝土的力学性能及细观损伤，本文基于Python语言对ABAQUS软件进行了二次开发编程，建立了考虑骨料、新老砂浆基体和界面过渡区的多相三维混凝土有限元模型，并通过抗压强度试验验证有限元模型的有效性。结果表明，本文建立的再生砂粉混凝土细观模型可有效模拟其力学性能和细观损伤情况，抗压强度实测值与模拟值的误差较小，不超过10.65%;再生砂粉混凝土试块破坏整体呈“X”形式，与试验现象基本一致，初始损伤出现在界面过渡区处，然后逐渐发展直至贯通，随着再生细骨料及再生微粉含量的增多，其损伤扩展程度更加严重，并且其力学性能也随之下降。     

不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响

为了探明不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响,试验以再生骨料表面不同的砂浆强度以及附着率作为变量,配置了不同强度等级的再生骨料混凝土,与普通混凝土进行了对比性强度试验以及碳化试验.试验结果表明,高强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制低强度等级的再生混凝土,即再生混凝土内部旧砂浆界面过渡区强度比再生混凝土内部新砂浆界面过渡区强度高时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土强度几乎相同,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土的强度影响不大,但碳化深度有所增大.当使用低强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制高强度等级再生混凝土,也就是再生混凝土内部再生骨料与旧砂浆界面过渡区强度比新砂浆界面过渡区强度低时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土相差较大,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土强度影响较大.     

利用砖混建筑废弃物制备再生混凝土的性能研究

由砖混建筑废弃物制备的再生粗骨料通常含有部分碎砖粗骨料。为研究碎砖含量对混凝土性能的影响,将再生混凝土粗骨料和碎砖粗骨料按不同比例(体积分数)混合制备混合型再生粗骨料,并以30%的取代率取代天然骨料浇筑混凝土试块进行试验研究。研究结果表明:混凝土破坏时,天然粗骨料沿粗骨料与砂浆之间的界面过渡区断裂失效,而碎砖粗骨料则是贯穿粗骨料内部断裂失效;当碎砖含量不超过18%时,对混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能没有明显影响,碎砖含量超过18%时,抗压强度和抗氯离子渗透性明显下降;碎砖含量越大,混凝土抗盐冻能力越差;当砖含量不变时,水灰比越高,再生碎砖粗骨料对混凝土抗压强度的不利影响越小。     

骨料包浆预处理对礁石混凝土性能的影响

本文对比研究了不同礁石骨料包浆预处理方法以及高性能包浆胶凝材料对礁石骨料物理性质、氯离子溶出行为以及力学性能的影响;并将包浆预处理后的礁石骨料用于制备礁石混凝土,讨论了包浆预处理和骨料替代率对礁石混凝土力学性能、氯离子渗透特性以及体积稳定性的影响。结果表明,包浆静置后烘干较包浆后自然风干与包浆后标准养护的预处理方式具有最好的骨料改性效果,礁石骨料的空隙率、吸水率、压碎值以及氯离子溶出特性等均被优化。当礁石骨料以20%、40%、60%体积替代率掺入混凝土中时,包浆礁石混凝土28 d抗压强度较未包浆礁石混凝土分别提高了6.67%、15.40%、20.05%,氯离子扩散系数分别降低了6.25%、17.31%、38.10%,干燥收缩率分别降低了5.81%、17.05%、24.43%。礁石骨料经过包浆后改变了其与水泥砂浆之间的界面过渡区,进而改善了礁石混凝土的力学性能、氯离子渗透性能以及体积稳定性。     

基于高阶块体元-有限元建模的混凝土细观数值分析

提出一个高阶块体元-有限元的混合建模方法进行混凝土的细观数值模拟,即采用高阶块体元离散骨料区域、有限元离散水泥砂浆区域、高阶块体元与有限元相结合的界面元离散混凝土内部的界面过渡区,既避免了复杂的网格划分及其带来的庞大计算规模问题,又便于边界条件的施加。在传统塑性损伤模型的框架下,建立了一个关于微裂纹表征的水泥砂浆损伤模型,该损伤模型能够反映由微裂纹产生所导致泊松效应弱化现象;提出一个界面过渡区的双曲滑移开裂面,并通过相对开裂位移量和相对滑移位移量,定义了界面抗拉强度和内聚力的后继软化规律,同时引入二次流动势面反映压应力状态下界面过渡区的非关联流动特性;采用建立的高阶块体元-有限元混合模型对混凝土进行细观非线性计算分析,获得了混凝土内部界面过渡区和砂浆的破坏特点,揭示了骨料对损伤路径的影响规律。     

干湿循环下煤矸石混凝土孔结构特性及抗氯离子侵蚀机理

氯离子侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素。通过干湿循环试验,研究了煤矸石混凝土的抗氯离子侵蚀性能,分析了煤矸石体积取代率(0%、20%、40%、60%)对氯离子浓度分布和表观扩散系数的影响。通过压汞试验,测定了煤矸石混凝土的孔结构参数,通过计算其孔隙体积分形维数,研究了孔结构对煤矸石混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响。结果表明:随着煤矸石掺量的增加,自由氯离子的浓度先减小后增加,而表观扩散系数先增加后减小;煤矸石掺量为40%时,混凝土密实性最好,孔隙体积分形维数最大;与未添加煤矸石的混凝土相比,掺量40%的煤矸石混凝土氯离子浓度最低,此时抗氯离子侵蚀性能最好,且表观扩散系数下降35.68%。     

塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子渗透性试验研究

采用快速氯离子迁移系数法(RCM)对塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子渗透性进行研究,主要考察了塑钢纤维掺量、陶粒类型和陶粒预湿时间三个影响因素对氯离子掺透性的影响.研究结果表明,塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子扩散系数随纤维掺量的增大而减小,且掺量为9 kg/m3时,氯离子扩散系数值最小;相较于粉煤灰陶粒,页岩陶粒制备的塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子扩散系数更低;陶粒预湿时间对塑钢纤维轻骨料混凝土的氯离子扩散系数影响不大,但未掺纤维的轻骨料混凝土氯离子扩散系数随陶粒预湿时间的增加而增大.     

粉煤灰再生混凝土中氯离子渗透性能试验研究

通过氯离子自然扩散试验,测定粉煤灰再生混凝土试件中自由氯离子浓度,研究了粉煤灰掺量、干湿循环等因素对粉煤灰再生混凝土中氯离子渗透性能的影响。结果表明:粉煤灰能提高再生混凝土抗氯离子渗透能力,粉煤灰最佳掺量介于10%~30%之间;干湿循环加快了粉煤灰再生混凝土中氯离子的渗透速度;粉煤灰再生混凝土中氯离子浓度随着氯盐溶液侵蚀时间的延长逐渐增大,随着向粉煤灰再生混凝土内部的深入,逐渐降低。     

Influence of aggregates on chloride diffusion coefficient into mortar

In order to determine the influence of aggregates on chloride ion ingress, mortar specimens were cast with different aggregate size distribution and the same aggregate volume content. One side of the specimen was in contact with alkaline solution containing sodium chloride. The process of chloride ingress is due to diffusion. The effect of the interfacial transition zone (ITZ) around aggregate and of the tortuosity due to aggregates have been taken into account for interpreting the experimental data obtained. These two competing effects have been quantified by using the theory of composite materials. It appears that the diffusion coefficient varies as a function of the ITZ volume content and of the tortuosity.     

骨料对混凝土干缩性能的影响

采用收缩试验针对骨料对混凝土干缩的影响进行研究。主要分析不同骨料体积含量下骨料的约束作用、过渡区湿扩散作用对干缩影响的权重,以及骨料最大粒径和砂率对于缩影响。结果表明：骨料体积含量小于66％时,约束起主导作用;骨料体积含量介于66％-68％之间时,约束与过渡区湿扩散共同起主导作用;骨料体积含量大于68％时,约束再次起主导作用。骨料最大粒径和砂率的变化对干缩几乎没有影响,只有在单位用水量变化时对于缩产生影响。     

持续荷载和锂渣取代量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

为考察受载锂渣混凝土抗氯离子渗透性能,本文设计了锂渣取代水泥质量0%、10%、20%和30%的C20、C30和C40混凝土,对混凝土试件施加极限压荷载的10%、30%和50%,作为持续压应力,进行氯离子渗透性能试验。结果表明：水灰比范围在0.40～0.62时,电通量随着水灰比的增大而增大;对于施加不同压应力的混凝土,当压应力比达到0.3时,C20和C30混凝土电通量有明显的提升,当压应力比达到0.5时,C40混凝土电通量有明显的提升;对于不同锂渣取代量的混凝土,电通量随着锂渣取代量的增大而减小。结合Fick第二定律和质量守恒定律,建立在持续荷载作用下锂渣混凝土氯离子渗透模型,结果表明,氯离子在浸泡环境下的渗透性能符合试验规律,模拟结果与试验结果一致。     

Aggregate influence on chloride ion diffusion into concrete

An attempt is made to predict the probable effect of the aggregate on chloride ion diffusion into saturated concrete. It is shown that if the chloride ion diffusion coefficient of an aggregate ranges from 0.2 to 10 times that of the cement paste matrix, then this could result in variations in the concrete chloride ion diffusion coefficient of up to 10:1. Such a variation is equivalent to a change in free water-cement ratio from 0.77 to 0.45.