海洋环境下混凝土中氯离子传输的数值模拟研究

摘要

氯离子在混凝土中传输并诱导钢筋锈蚀是海洋环境下混凝土结构腐蚀破坏的主要因素之一。氯离子传输不仅与混凝土自身材料性质相关，还受到外界环境条件，如温湿度、干湿循环的影响。基于理论模型推导，并通过数值模拟方法获得海洋环境下混凝土中氯离子传输过程，有助于进一步揭示材料及环境对混凝土中氯离子传输的定量影响规律。本文考虑细骨料、粗骨料及界面区对混凝土材料氯离子扩散系数的影响，建立了温湿度环境下和干湿循环作用下混凝土中的氯离子传输模型，利用COMSOL软件实现了海洋环境下混凝土中氯离子传输的数值模拟，并设计相关试验进行验证。
　　1）利用 MATLAB软件构建了水泥净浆、砂浆及混凝土三个层次的材料模型，并设置了0 um、25um，50um，70um和100um五个厚度的浆体集料界面区。通过数值模拟和试验研究发现：骨料存在阻碍了混凝土中氯离子传输，骨料粒径越大、所占体积越多，混凝土氯离子的扩散系数降低幅度越大。界面过渡区作为混凝土中的薄弱区域，加速了氯离子中混凝土中的传输速度，且界面过渡区的厚度越大，所占体积越大，混凝土氯离子传输速度越快。
　　（2）基于阿伦尼乌斯公式构建了温度对混凝土氯离子扩散系数影响方程，基于试验构建了考虑传输时间及相对湿度影响的氯离子扩散系数方程，并利用COMSOL软件自带温湿度耦合方程构建了温湿度作用下混凝土中氯离子传输的数值模拟方法，模拟及试验结果表明：随着环境温度的升高，混凝土中氯离子的渗透速度也会加快，混凝土内部氯离子浓度的分布不均匀性增加；当温度升高到60℃时，在混凝土表层的骨料中出现了氯离子富集的现象；而当混凝土处于低温环境中，氯离子的传输速度和富集区域的面积明显减小。随着环境湿度的增加，混凝土中氯离子渗透速度会明显减慢，渗透深度也逐渐减小；当湿度小于75%时，氯离子会在混凝土表层的粗骨料表面富集，当湿度降至10%时，氯离子会在骨料表面呈一个圆环状，而且氯离子的扩散速率减慢，传输距离减小。温湿度耦合作用下，随着环境中温度和湿度的升高，氯离子在混凝土中的渗透速度逐渐增大，其渗透深度也越来越大。与只考虑温度或湿度影响相比，综合考虑温湿度共同对氯离子传输作用时，温度对氯离子扩散性能影响更大。
　　（3）基于扩散与对流耦合作用，并考虑相对湿度对传输系数的影响，构建了干湿循环作用下混凝土氯离子传输模型，并分析了初始饱和度、干湿比及循环周期对混凝土中氯离子传输的影响。数值模拟和试验结果表明：干燥过程中水分迁移携带一部分氯离子向混凝土边缘传输，从而出现表层氯离子累积现象；随着干湿循环次数的增加，对流作用的影响增加越来越大，对流区深度增加，混凝土表层区域出现氯离子浓度达到峰值现象。初始饱和度和湿润过程（干燥过程）的饱和度梯度的差值越大，对流作用越明显，氯离子的侵蚀程度也越大；干湿时长比越大，对流作用越明显，形成的浓度波峰越宽。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 氯离子传输模型的建立和修正

2.1 引言

2.2 氯离子在混凝土中的传输机理

2.3 温湿度作用下的氯离子传输模型

2.4 干湿循环作用下的氯离子传输模型

2.5 本章小结

第3章 考虑材料因素的混凝土氯离子传输模拟与验证

3.1 引言

3.2 混凝土材料模型构建

3.3 混凝土中氯离子传输过程模拟

3.4 材料因素对氯离子扩散的影响

3.5 试验验证

3.6 本章小结

第4章 温湿度对混凝土中氯离子传输的影响

4.1 引言

4.2 温度对混凝土中氯离子传输的影响

4.3 湿度对混凝土中氯离子传输的影响

4.4 温湿度复合作用下混凝土中氯离子传输行为

4.5 试验验证

4.6 本章小结

第5章 干湿循环作用下混凝土中氯离子传输行为

5.1 引言

5.2 氯离子传输模型的建立

5.3 参数及边界条件的确定

5.4 COMSOL模拟过程分析

5.5 参数敏感度分析

5.6 试验验证

5.7 本章小结

第6章 海洋环境下混凝土中氯离子传输数值仿真界面设计

6.1 引言

6.2 软件概述

6.3 软件设计说明

6.4 软件运行

6.5 本章小结

第7章 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

在校期间发表的学术论文及成果

致谢