粗骨料对混凝土中氯离子扩散影响试验研究

摘要

钢筋混凝土结构已经在港口、海岸及近海工程中得到了广泛应用，经过多年使用，海洋环境中氯离子引起的结构耐久性破坏已经成为设计与维护中面临的严重问题。虽然国内外学者对这些问题开展了大量研究，但是由于问题非常复杂，现阶段对部分影响因素的研究尚不完善。针对氯离子侵蚀的研究，目前得到的氯离子扩散模型大多忽略了粗骨料的影响效应。对于粗骨料体积分数与粒径的影响缺少系统地研究。在混凝土细观层面，对粗骨料界面过渡区氯离子扩散系数的研究成果差异较大，缺少粗骨料体积分数对界面过渡区氯离子扩散系数的影响分析。本文着眼于钢筋混凝土耐久性破坏第一阶段的氯离子侵蚀过程，总结现有混凝土中氯离子扩散模型，通过试验手段研究粗骨料体积分数与粒径对混凝土整体氯离子扩散系数的影响，分析粗骨料体积分数与界面过渡区氯离子扩散系数之间的变化关系，并建立有限元模型，为从细观层面研究混凝土中氯离子扩散过程提供依据。本文主要研究内容如下:
　　1、总结前人对钢筋锈蚀机理与氯离子传输机理的研究成果，整理氯离子经典扩散模型的基本假定，梳理、对比和分析基于这些假定进行修正的氯离子扩散模型。结合本课题研究需要，提出本文所选用的氯离子扩散模型。
　　2、针对粗骨料对混凝土中氯离子扩散的影响效应，开展物理试验研究，测定混凝土中距离表面不同深度处氯离子浓度，通过Fick第二定律，拟合得到不同粗骨料体积分数与粒径对应的氯离子扩散系数，建立能够用于工程实践的随粗骨料体积分数与粒径变化的混凝土中氯离子扩散系数模型。
　　3、通过试验数据，分析得出粗骨料对混凝土中氯离子扩散系数存在降低和提升两种影响效应，试验结果表明界面过渡区对于混凝土中氯离子扩散系数的提升作用非常明显。整理分析试验数据，得到界面过渡区氯离子扩散系数随粗骨料体积分数变化的模型。
　　4、使用Matlab软件编程得到混凝土中粗骨料二维随机分布模型，代入COMSOL有限元软件的稀物质传递模块，模拟自然环境中氯离子在混凝土细观模型中的扩散。验证该方法具有可行性，为后续研究混凝土细观结构内氯离子扩散过程提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 钢筋混凝土结构耐久性研究现状

1．3 粗骨料对混凝土耐久性影响效应研究进展及存在的问题

1．4 本文主要工作

1．5 本文创新点

第二章 海洋环境中混凝土内氯离子传输机理及模型

2．1 概述

2．2 钢筋锈蚀机理

2．3 氯离子传输机理研究

2．4 氯离子侵蚀模型研究

2．4．1 经典扩散模型

2．4．2 考虑非均质影响的扩散模型

2．4．3 考虑结合效应的扩散模型

2．4．4 考虑变边界影响的扩散模型

2．4．5 考虑时间效应的扩散模型

2．4．6 考虑多维影响的扩散模型

2．4．7 考虑多因素影响的扩散模型

2．5 本文选用的扩散模型

第三章 粗骨料对氯离子扩散性能影响的试验研究

3．1 概述

3．2 试验设计

3．2．1 试件制作

3．2．2 试验设备

3．2．3 试验方法

3．2．4 氯离子扩散指标测量

3．3 粗骨料体积分数对氯离子扩散性能影响研究

3．3．1 粗骨料体积分数影响试验结果分析

3．3．2 粗骨料体积分数影响模型的拟合

3．3．3 粗骨料体积分数影响模型的验证

3．4 粗骨料粒径对氯离子扩散性能影响研究

3．4．1 粗骨料粒径影响试验结果分析

3．4．2 粗骨料粒径影响模型的拟合

3．4．3 粗骨料粒径影响模型的验证

3．5 表面氯离子浓度时变模型

3．5．1 表面氯离子浓度时变模型的建立

3．5．2 表面氯离子浓度时变模型的验证

3．6 考虑粗骨料影响效应的氯离子扩散模型

3．7 小结

第四章 界面过渡区氯离子扩散系数的研究

4．1 概述

4．2 界面过渡区影响机理

4．2．1 界面过渡区形成原理

4．2．2 粗骨料对混凝土中氯离子扩散系数的影响机理

4．3 界面过渡区氯离子扩散系数计算方法

4．3．1 界面过渡区体积分数计算

4．3．2 界面过渡区氯离子扩散系数计算

4．4 界面过渡区氯离子扩散系数随粗骨料体积分数变化模型

4．4．1 界面过渡区氯离子扩散系数计算结果分析

4．4．2 模型拟合

4．4．3 模型验证

4．5 小结

第五章 混凝土内氯离子扩散细观数值模型研究

5．1 概述

5．2 粗骨料二维随机分布模型

5．2．1 蒙特卡罗随机数

5．2．2 二维粗骨料生成过程

5．3 COMSOL模拟氯离子扩散过程

5．3．1 COMSOL概述

5．3．2 COMSOL稀物质传递模块

5．4 数值模型可行性验证

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文情况说明

致谢