海洋环境下混凝土中氯离子的原位输运机理与随机性特征研究

摘要

海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性问题日益严重，而氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响结构性能退化的重要原因。研究氯离子在混凝土中的输运机理对准确预测海洋环境下混凝土结构服役寿命，维护混凝土结构等都具有十分重要的意义。但是目前很多学者的模型都采用均匀化假设，而未考虑混凝土微细观结构的影响，从而导致真实混凝土的氯离子传输扩散系数与理论值并不相符。而且忽略混凝土中骨料与孔隙分布，也无法准确表征氯离子原位传输的非均匀性与随机性特征。为了研究真实混凝土中的氯离子的原位输运机理，本文主要进行了以下研究工作:
　　(1)采用电子探针技术测量了混凝土中界面过渡区(ITZ)宽度，并设计一维传输试验推导了ITZ的氯离子扩散系数;建立了混凝土细观尺度数值模型，对混凝土中氯离子传输过程进行了数值模拟，并通过电子探针技术对数值模型进行了验证;基于细观尺度数值模拟，对混凝土中骨料和ITZ对氯离子传输过程的影响进行了系统研究。
　　(2)通过X-ray CT重构技术，建立了混凝土的三维细观数值模型，数值模型能够表征真实混凝土中骨料及孔隙结构，并通过电子探针技术验证了模型的准确性;基于重构的三维细观数值模型，研究了氯离子在真实混凝土中的三维传输规律，并分析了骨料、孔隙、ITZ对氯离子浓度及扩散通量场分布的影响。
　　(3)基于CT重构得到的混凝土三维模型，分析了混凝土中骨料及孔隙的分布规律;通过数值模拟的方法，分析了真实混凝土中氯离子传输过程的随机性规律，并通过对氯离子浓度分布直方图进行拟合和假设检验，获得了可信度较高的氯离子浓度概率密度分布函数;最后通过不同模型之间的对比，研究了ITZ扩散系数、骨料形状和位置对氯离子随机性传输的影响;研究成果为分析钢筋混凝土构件的时变可靠性或预测其剩余使用寿命奠定了基础。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状及不足

1．2．1 氯离子传输理论模型

1．2．2 基于细观尺度的混凝土中氯离子传输机理

1．2．3 混凝土中氯离子传输过程的数值模拟

1．2．4 混凝土中氯离子传输过程的随机性研究

1．3 本文研究目标和内容

参考文献

第2章 混凝土各相的氯盐传输特性及细观尺度传输模型

2．1 引言

2．2 原材料及试验方法

2．2．1 原材料与配合比

2．2．2 试件制备

2．2．3 氯盐传输试验

2．2．4 电子探针试验

2．3 电子探针试验结果与分析

2．3．1 氯元素电子探针面扫描结果

2．3．2 粗骨料界面过渡区Si，Ca元素线扫描分析

2．4 砂浆及界面过渡区氯离子扩散系数测定

2．5．1 氯离子二维扩散方程

2．5．2 氯离子传输的数值模拟

2．6 过渡区对氯离子传输的影响

2．6．1 界面过渡区厚度对氯离子传输性能的影响

2．6．2 界面过渡区扩散系数对氯离子传输性能的影响

2．7 本章小结

参考文献

第3章 基于X-ray CT技术的混凝土中氯盐传输三维模型

3．1 引言

3．2 X-ray CT技术原理概述

3．3 混凝土CT图像的获取

3．3．1 混凝土试样制作

3．3．2 混凝土试样CT扫描

3．4 混凝土CT图像处理

3．4．1 混凝土数字图像处理技术及工具

3．4．2 灰度图像最大类间方差阈值分割法

3．4．3 基于CT图像灰度分布特征的改进最大类间方差法

3．5 混凝土三维细观结构的数值化建模技术

3．5．1 基于“外表面”及“体素”的三维空间模型建模技术

3．5．2 混凝土三维细观结构的重构与数值化研究

3．5．3 建立混凝土三维细观结构三角单元模型

3．5．4 混凝土三角单元模型实体化

3．6．1 氯离子三维扩散方程

3．6．2 建立混凝土三维细观结构数值模型

3．6．3 氯离子三维传输的数值模拟

3．6．4 通过电子探针技术验证氯离子三维传输模型

3．7 基于三维细观数值模型的氯离子传输特性

3．7．1 骨料表面氯离子传输特性

3．7．2 钢筋表面氯离子含量分布

3．8 本章小结

参考文献

第4章 混凝土中氯离子传输过程的随机性研究

4．1 引言

4．2 混凝土中骨料和孔隙的随机分布特征

4．3 混凝土中氯离子传输过程的随机性特征

4．3．1 氯离子传输过程的浓度分布随机性

4．3．2 氯离子传输过程的时间分布随机性

4．4 氯离子随机性传输的影响因素分析

4．4．1 ITZ对氯离子随机性传输的影响

4．4．2 骨料形状对氯离子随机性传输的影响

4．4．3 骨料位置对氯离子随机性传输的影响

4．5 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 研究展望

作者简历及在读期间所取得的科研成果