混凝土结构中氯离子扩散规律的解析研究

摘要

在混凝土结构服役过程中，由于受到环境不同腐蚀因素的影响，出现耐久性问题，已经严重影响混凝土结构的正常使用，并引起巨大的经济损失。由氯离子扩散造成的混凝土侵蚀，是最为突出的耐久性问题之一。目前，混凝土中氯离子扩散解析研究多以菲克第二定律为基础，主要考虑一维半无限大体和正交二维扩散模型，在非正交二维扩散方面缺乏解析解。另一方面，对于实际工程结构，混凝土表面氯离子浓度和扩散系数存在时变性，有必要针对这两个参数的时变模型及其对氯离子扩散规律的影响开展深入研究。针对以上问题，本文进行了以下几个方面的研究:
　　1.研究建立了非正交多维扩散下混凝土中氯离子浓度分布规律。首先应用极坐标推导了扇形区域的氯离子扩散解析解，进而将该解用于计算混凝土结构中非正交二维扩散区域的氯离子浓度。研究表明，非正交二维区域的氯离子扩散与一维及正交二维氯离子扩散均有不同，二维扩散造成的影响与非正交区域夹角呈负相关，即角度越小，氯离子富集现象越显著。
　　2.研究分析了混凝土的表面氯离子浓度和扩散系数的多类型时变模型及其对混凝土中氯离子扩散和浓度积聚规律的影响。首先，以菲克第二定律为理论基础，应用积分变换等数学方法进行解析解推导，通过两次积分变换求得表面氯离子浓度和扩散系数均为时变参数时的解析解，并分析了表面氯离子浓度的幂函数和对数时变模型、以及扩散系数的连续型幂函数衰减模型的工程涵义，揭示了双参数时变模型对氯离子扩散规律的影响。然后，通过三次积分变换求得适用性更为广泛的解析解，利用数值方法和试验数据验证了结果的正确性。进而研究了表面氯离子浓度的幂函数、对数、指数模型和分段时变模型、以及扩散系数的连续或分段幂函数衰减模型的工程背景及其对氯离子扩散规律的影响。结果表明，表面氯离子浓度和扩散系数的时变性对混凝土结构的服役寿命具有重要影响;两个参数的分段时变计算模型符合工程实际，更具科学性。
　　3.研究了混凝土中氯离子时变扩散下的耐久性控制区理论。分别考虑混凝土表面氯离子浓度和扩散系数为常数或时变参数等两种不同情况，利用拉普拉斯变换研究了氯离子正交二维扩散下的补偿理论，导出扩散场计算长度公式，建立了混凝土结构耐久性控制区。结果表明，混凝土结构的二维扩散区域会出现氯离子富集现象，对结构服役寿命预测产生显著影响，不可忽略。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 氯离子扩散国内外研究现状

1．2．1 表面氯离子浓度时变性研究概况

1．2．2 氯离子扩散系数时变性研究概况

1．2．3 混凝土中氯离子扩散模型国内外研究现状

1．3 选题意义及主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究意义

1．3．3 本文框架

1．3．4 主要创新点

第二章 混凝土中非正交二维区域氯离子扩散解析解

2．1 非正交二维区域的扩散模型求解

2．2 非正交二维区域扩散解析解的程序实现

2．3 算例

2．4 小结

第三章 CS和D为时变参数的氯离子扩散解析解

3．1 表面氯离子浓度时变模型

3．2 扩散系数时变模型

3．3 CS和D双时变条件下一维扩散解析解

3．3．1 一维扩散双时变解析解基本式

3．3．2 CS幂函数时变模型一维扩散双时变解析解

3．3．3 CS对数时变模型一维扩散双时变解析解

3．4 算例

3．5 小结

第四章 CS和D为分段时变参数的氯离子扩散解析解

4．1 CS和D的分段时变特性

4．2 CS和D双时变条件下一维扩散解析通解

4．3 CS和D分段时变一维扩散解析解

4．3．1 CS线性分段模型双时变解析解

4．3．2 CS幂函数分段模型双时变解析解

4．3．3 CS对数分段模型双时变解析解

4．3．4 CS指数分段模型双时变解析解

4．4 算例

4．5 结论

第五章 混凝土中正交二维区域氯离子扩散解析解

5．1 非时变条件下二维扩散解析解

5．2 CS和D双时变条件下二维扩散解析解

5．3 二维扩散控制区

5．4 算例

5．5 小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文