荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用下硫酸根离子在混凝土中扩散反应规律的数值模拟研究

摘要

混凝土耐久性损伤不仅导致混凝土结构的服役寿命缩短,而且影响到工程结构服役的安全性和可靠性。硫酸盐侵蚀是引起服役混凝土材料与结构耐久性损伤和退化的重要因素之一,开展荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土耐久性损伤研究对提高混凝土结构设计的安全性与预测其服役寿命的合理性具有重要的理论意义和应用价值。本文针对混凝土在服役条件下的耐久性退化问题,开展了荷载及硫酸盐侵蚀耦合作用下硫酸根离子在混凝土内扩散反应规律的数值分析研究,主要研究内容及结果如下:
　　 首先,简要介绍了国内外混凝土结构耐久性研究的现状及硫酸盐侵蚀混凝土的损伤机理。其次,根据几何方法建立水泥基材料内传输路径的三维曲折度模型,利用唯象方法建立应力条件下混凝土内传输路径曲折度模型,获得应力条件下混凝土内离子的扩散系数模型,并对所得到的扩散系数模型进行简化;混凝土骨料颗粒的圆形度是曲折度模型的重要影响参数,采用Matlab图像处理技术结合8链码法,建立了砂、石等骨料颗粒的几何形貌的表征方法。最后,通过Fick定律和化学反应动力学方程,建立荷载和硫酸盐耦合作用下硫酸根离子在混凝土中的一维非线性非稳态扩散反应方程,运用有限差分方法,获得了微分方程的数值求解迭代格式,并通过数值模拟,分析了荷载和硫酸盐耦合作用下离子的一维扩散反应规律。
　　 结果表明:在受硫酸盐侵蚀的混凝土内部,硫酸根离子的浓度和经化学反应消耗的离子浓度均呈梯度分布。在初始阶段,经扩散进入到混凝土内部的硫酸根离子浓度增加较快,随着侵蚀时间的增加,混凝土中的硫酸根离子浓度分布逐渐趋于稳定。混凝土在弯曲荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用下,弯曲荷载显著提高了离子在混凝土内部的传输性能,使得荷载作用下混凝土内硫酸根离子的分布浓度明显高于无荷载作用时硫酸根离子的分布浓度,并且硫酸根离子在混凝土内部的传输速率随应力比的增大而提高。