硫酸盐--氯盐耦合作用下混凝土耐久性试验分析及数值模拟

摘要

长期处于滨海盐渍土、西部盐湖等严酷环境下的钢筋混凝土结构不仅承受各种荷载作用，还遭受硫酸盐和氯盐等环境介质的物理化学侵蚀，导致结构的安全性和耐久性降低。因此，研究硫酸盐-氯盐耦合作用下混凝土耐久性退化过程对开展复杂盐侵蚀环境下混凝土结构的耐久性评估及服役寿命预测具有重要意义。本文以全浸泡条件下圆柱体砂浆试件为研究对象，开展了相关试验和模型研究，主要研究内容和结论如下: (1)建立了全浸泡条件下硫酸根离子和氯离子的耦合传输方程，该方程考虑了氯离子对硫酸盐侵蚀引起的混凝土孔隙填充和膨胀开裂以及硫酸根离子对混凝土吸附结合氯离子的影响，可用于计算耦合侵蚀过程中混凝土内物相含量、孔隙率、微裂纹密度、扩散系数等。 (2)对硫酸根离子和氯离子的扩散反应方程进行了形式变换，给出了耦合传输方程的矩阵形式，采用三层隐式差分法求解了离散化后的耦合传输方程，并运用MATLAB编制了相应的计算机分析程序。 (3)开展了硫酸盐、氯盐及复合溶液全浸泡条件下圆柱体砂浆试件内硫酸根离子和氯离子的浓度测试试验。结果表明，氯离子的存在延缓了硫酸根离子的传输，而硫酸根离子在浸泡初期抑制了氯离子的扩散，但浸泡后期硫酸根离子侵蚀引起的混凝土膨胀开裂反而加速了氯离子的传输。 (4)利用硫酸根离子和氯离子的浓度测试结果对耦合传输模型进行了试验验证，并运用MATLAB程序分析了时间步长、空间步长、初始孔隙率、化学反应速率常数、毛细管孔隙有效填充分数、AFm含量等参数对耦合传输过程中水泥基材料内硫酸根离子浓度、自由氯离子浓度、化学结合氯离子浓度、体积膨胀应变、扩散系数和铝酸钙浓度的影响。 (5)设计制作了腐蚀损伤混凝土应力应变曲线测试装置，开展了不同浸泡天数下硫酸盐、氯盐及复合溶液中砂浆试件受压应力应变曲线的测试试验。结果表明，腐蚀前后砂浆试件的应力应变曲线形状一致，但峰值应力、峰值应变、下降段斜率等关键参数与腐蚀溶液种类和浸泡天数有关。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1硫酸盐环境下混凝土耐久性研究

1．2．2氯盐环境下混凝土耐久性研究

1．2．3硫酸盐和氯盐耦合作用下混凝土耐久性研究

1．3目前存在的问题

1．4本文的主要研究内容

2硫酸根离子和氯离子耦合传输机理及模型

2．1引言

2．2．1硫酸盐侵蚀机理

2．2．2氯盐传输机理

2．3硫酸根离子-氯离子耦合传输模型

2．3．1考虑氯离子影响的硫酸根离子传输方程

2．3．2考虑硫酸根离子影响的氯离子传输方程

2．4考虑氯离子影响的硫酸盐侵蚀混凝土体积膨胀

2．4．1化学反应动力学

2．4．2混凝土中物相含量的计算

2．4．3混凝士的体积膨胀

2．4．4扩散系数

2．5考虑硫酸盐侵蚀影响的氯离子吸附模型

2．5．1物理吸附

2．5．2化学吸附

2．5．3化学吸附消耗的AFm

2．6本章小结

3硫酸根离子和氯离子耦合传输方程的数值求解

3．1引言

3．2传输方程的数值求解

3．2．1传输方程的变抉

3．2．2网格划分及参数离散

3．2．3边界条件

3．2．4有限差分格式

3．3数值解的求解过程

3．4本章小结

4硫酸根离子和氯离子耦合传输试验及参数分析

4．1引言

4．2耦合传输试验方案

4．2．1试验原材料

4．2．2试件设计与制作

4．2．3腐蚀制度

4．2．4硫酸根离子和氯离子测定方法

4．3试验结果及分析

4．3．1硫酸根离子浓度

4．3．2氯离子浓度

4．4传输模型的试验验证

4．4．1模型中的计算参数

4．4．2硫酸根离子含量验证

4．4．3氯离子含量验证

4．5耦合传输模型参数分析

4．5．1时间步长

4．5．2空间步长

4．5．3初始孔隙率

4．5．4化学反应速率常数

4．5．5毛细管孔隙有效填充分数

4．5．6AFm含量

4．6本章小结

5硫酸盐与氯盐侵蚀下砂浆应力应变曲线的试验研究

5．1引言

5．2试验方案

5．2．1试件设计与制作

5．2．2腐蚀制度

5．2．3应力应变曲线测试方法

5．3试验结果及分析

5．3．1应力应变曲线

5．3．2抗压耐蚀系数

5．3．3峰值应变

5．4本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2展望

致谢

参考文献

附录