混凝土三相模型中氯离子扩散的边界元法及耐久性分析

摘要

传统的均匀混凝土模型无法准确反映氯离子在混凝土中的扩散和积聚规律。本文把混凝土当作由砂浆、骨料和界面过渡区组成的三相复合材料，建立了混凝土三相全时域初值推进边界元模型，分析了骨料随机分布条件下氯离子在混凝土中的扩散和分布规律，并结合海洋混凝土结构耐久性失效的极限状态方程，开展了氯盐环境下混凝土结构的耐久性可靠指标分析。
　　本文的主要研究工作和结论包括:
　　(1)基于混凝土结构中氯离子均匀扩散的单连域边界元模型，将混凝土视为三相材料，通过划分出砂浆扩散区和界面过渡扩散区，并在粗骨料边界与界面过渡区之间、界面过渡区与混凝土边界之间引入虚拟边界，推导得到混凝土中氯离子扩散的双扩散区多连域边界积分方程，进而研究建立基于混凝土三相模型的氯离子扩散全时域初值推进边界元法，分析表明，该方法只需在空间域和时间域上进行稀疏离散，在保证计算精度的同时具有较高的计算效率;
　　(2)基于所建立的混凝土中氯离子扩散的三相边界元模型，开展单颗骨料投放、多颗圆形骨料均匀投放和多边形骨料随机投放条件下混凝土中氯离子扩散过程模拟，分析骨料形状、含量、级配、排列方式等骨料分布情况以及界面过渡区扩散系数等材料参数对混凝土中氯离子浓度分布的影响，研究表明，骨料含量对混凝土中氯离子浓度的影响体现在两个方面，因为体积分数的原因，骨料对氯离子扩散的阻滞作用较过渡区的加速通道作用更加明显，当骨料含量为20％至50％的范围内且骨料分布均匀时，混凝土中的氯离子浓度随着骨料含量的提高而降低，骨料的形状、级配和排列等因素的改变对混凝土中的平均氯离子浓度分布影响不明显;
　　(3)基于提出的骨料随机投放下混凝土中氯离子扩散的全时域初值推进边界元三相模型，建立氯盐环境下混凝土结构耐久性失效的极限状态方程，开展了考虑骨料空间随机分布的混凝土结构耐久性可靠指标分析，计算氯盐环境下混凝土结构的耐久性可靠指标，研究表明，当骨料含量为20％至50％的范围内且骨料分布均匀时，提高骨料含量有助于提高结构的耐久性可靠指标，界面过渡区扩散系数的提高会降低结构的耐久性可靠指标，而骨料级配的改变对其影响不明显。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混凝土中氯离子扩散的基本模型

1．2．2 混凝土多相模型的氯离子扩散研究

1．2．3 氯盐环境下混凝土结构服役寿命预测研究现状

1．2．4 边界元法在氯盐环境下混凝土结构耐久性研究方面的应用

1．3 主要研究内容

1．4 主要创新点

第二章 混凝土三相模型中氯离子扩散的全时域初值推进边界元法

2．1 混凝土中氯离子均匀扩散的全时域初值推进边界元法

2．1．1 混凝土中氯离子均匀扩散的计算模型及其积分方程

2．1．2 混凝土中氯离子均匀扩散的全时域初值推进边界元法

2．2 混凝土三相模型中氯离子扩散的全时域初值推进边界元法

2．2．1 多连域边界元法

2．2．2 双扩散区多连域边界积分方程

2．2．3 边界积分方程的离散

2．2．4 双扩散区多连域方程组的集成

2．3 模型验证

2．3．1 与有限元法的对比验证

2．3．2 与混凝土三相等效扩散系数解析方法的验证

2．3．3 实验验证

2．4 小结

第三章 基于混凝土三相边界元模型的氯离子浓度分布分析

3．1 氯离子扩散系数取值分析

3．2 含单颗骨料的混凝土三相模型中氯离子浓度分布分析

3．2．1 三相模型与单相模型、两相模型的对比

3．2．2 单颗骨料粒径对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．2．3 单颗骨料形状对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．2．4 单颗骨料转角对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．3 骨料均匀投放的混凝土三相模型中氯离子浓度分布分析

3．3．1 骨料含量对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．3．2 骨料粒径对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．4 多边形骨料随机投放的混凝土三相模型中氯离子浓度分析

3．4．1 模型生成

3．4．2 骨料含量对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．4．3 骨料级配对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．4．4 界面过渡区扩散系数对混凝土中氯离子浓度分布的影响

3．5 小结

第四章 基于三相模型的混凝土结构耐久性可靠指标分析

4．1 基于失效概率的耐久性可靠指标计算

4．2 基于均值和标准差的耐久性可靠指标计算

4．3 骨料含量对混凝土结构耐久性可靠指标的影响

4．4 骨料级配对混凝土结构耐久性可靠指标的影响

4．5 界面过渡区扩散系数对混凝土结构耐久性可靠指标的影响

4．6 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果

攻读硕士学位期间参与的科研项目