混凝土中氯离子扩散实验及边界元分析

摘要

氯离子在混凝土中的扩散表现为一种复杂的非线性动力现象和复杂的物理化学过程，通过合理的简化达到用Fick第二定律来描述这一过程的目标。本文在Fick第二定律的基础上首次采用边界元法建立二维混凝土结构中氯离子一维和二维扩散分析模型，提出了扩散场计算长度和扩散长度系数的概念，建立了计算长度表达式，并拟合出了扩散长度系数，使得一维计算模型中避免了对时间域的离散，二维计算模型中可以在时间域内采取非常稀疏的离散网格，所以相对于其他数值方法，本文方法计算量很小。同时由于边界元法可以将二维问题降低为一维离散问题，所以这两种计算模型可以大大简化计算过程，确保计算精度。算例分析验证了边界元法研究氯离子在混凝土中扩散的可行性，且具有很高的计算精度和计算效率。通过二维计算模型研究了混凝土结构的拐角等几何形状复杂位置的氯离子的分布规律，计算结果表明二维计算模型能够更准确地反映氯离子在混凝土结构中的扩散和积聚规律。 在混凝土单方用水量固定为130kg、单方胶凝材料用量固定为400kg的基础上制备出工作性能较好的普通混凝土和粉煤灰掺量分别为30％、50％和70％的高性能混凝土试件，并进行快速氯离子扩散实验，测定6h扩散时间后混凝土内部氯离子的浓度分布。实验结果表明：掺加了粉煤灰的混凝土试件的电通量明显小于普通混凝土试件，即掺加粉煤灰的混凝土的抗氯离子渗透能力比普通混凝土要强。但是当粉煤灰掺量由50％增加到70％时，粉煤灰混凝土抗氯离子渗透能力有所下降；也就是说，当粉煤灰掺量为50％时混凝土的抗氯离子渗透性能最好。同时发现，对于扩散后四种配比的混凝土，在靠近表层的区域，固化氯离子的浓度随深度的增加而降低，而到一定深度后，固化氯离子的浓度趋于稳定。 本文比较了氯离子在混凝土内部扩散和分布的实验值、解析计算结果和边界元法数值计算结果，发现在一定的扩散时间点上，三种结果可以较好地吻合，从而建立了快速扩散的实验时间与混凝土实际扩散时间的对应关系。经分析发现，对于普通混凝土其6h快速扩散对应的实际扩散时间比掺加粉煤灰的高性能混凝土的要短，这说明了掺加粉煤灰的高性能混凝土的抗渗透性能较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2混凝土中氯离子扩散的研究现状

1.2.1氯离子扩散的计算模型以及影响因素

1.2.2氯离子扩散模型的计算方法研究现状

1.3边界元法及其在扩散方程中应用研究的历史与现状

1.3.1边界元法的基本思想和特点

1.3.2边界元法在扩散方程中的应用

1.4本课题主要研究内容和研究意义

1.4.1研究意义

1.4.2主要研究内容

第二章氯离子扩散问题边界元法公式推导

2.1二维氯离子扩散基本方程及其基本解

2.2扩散分析的边界积分方程

2.3边界元积分方程的离散

2.4区域积分项的处理

2.5常单元影响系数的公式推导

2.6线性单元影响系数的公式推导

2.7级数的处理

第三章氯离子扩散问题边界元算例分析

3.1氯离子扩散边界元法计算模型

3.1.1一维扩散模型

3.1.2二维扩散模型

3.2一维氯离子扩散问题算例分析

3.3二维氯离子扩散问题算例分析

3.3.1算例一

3.2.2算例二

3.4小结

第四章快速氯离子扩散实验及利用边界元法分析实验结果

4.1低用水量掺加粉煤灰高性能混凝土的原材料准备

4.1.1水泥的准备

4.1.2粗骨料的准备

4.1.3细骨料的准备

4.1.4高效减水剂的准备

4.1.5粉煤灰的准备

4.1.6低用水量掺加粉煤灰高性能混凝土配比的原材料及其参数

4.2配合比设计

4.2.1配合比设计目标

4.2.2配合比计算

4.3低用水量掺加粉煤灰高性能混凝土的制备

4.4混凝土的快速氯离子渗透实验

4.4.1实验仪器

4.4.2实验步骤

4.5混凝土中氯离子含量测定实验

4.5.1混凝土粉末试样的磨取

4.5.2水溶性和酸溶性氯离子含量测定实验

4.6用边界元法分析实验后混凝土内部氯离子分布

4.6.1氯离子扩散系数及表面氯离子浓度的确定

4.6.2普通混凝土内部氯离子浓度分布的边界元分析

4.6.3掺加粉煤灰混凝土内部氯离子浓度分布的边界元分析

4.7小结

第五章主要结论及有待进一步完善的工作

5.1主要结论

5.2有待进一步完善的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况