混凝土裂缝对氯离子传输及水分影响深度的研究

摘要

氯离子传输过程对混凝土结构耐久性和服役寿命预测都具有非常重要的意义，因为它直接决定了钢筋的脱钝时间。然而，就目前的研究现状，一些关键并且必要的因素往往被忽略，为此本文的主要目的在于完善目前的氯离子传输机理。本文主要研究如下几个内容：
　　 (一)建立了干湿交替环境下氯离子在开裂混凝土中的传输模型。存在于混凝土中的裂缝会加速氯离子侵入进程，进一步影响混凝土结构耐久性。为了弄清干湿循环条件下，氯离子在开裂混凝土中的侵蚀机理，本文建立新的模型来描述这个过程，同时由相关试验进行验证。本文认为氯离子在完好多孔介质中的输送机理同样适用于开裂混凝土。对其中的水分对流部分，分别考虑了裂缝的宽度、表面粗糙度、表面迂曲度和毛细孔等参数，根据流体力学Poiseuille方程建立了在其传输模型。由此进一步提出了氯离子在各项异性介质中的传输控制方程，并对其中主要参数进行了敏感性分析。最后，考虑裂缝影响之后，对现有菲克第二定律进行了修正。
　　 (二)建立了多重环境和荷载作用下的氯离子传输模型框架。氯离子在混凝土内的传输过程中受到外界环境温湿度变化的影响，也由于混凝土材料自身蠕变特性而不断变化，即氯离子传输过程呈现非线性和时变性。无论是外界环境还是材料自身的收缩徐变，对混凝土的传输特性而言，从本质上改变了混凝土自身孔结构或产生了内部微裂缝，进一步表现为对氯离子传输的增大或减小。本文主要创新点在于将外界环境的变化与结构自身的响应通过截面纤维模型关联起来，进而根据输出的应力或应变值来进一步建立与氯离子扩散系数的关系，最终在试验的基础上得出荷载对氯离子扩散系数影响的计算公式。
　　 (三)进行了氯离子侵蚀过程的模糊概率分析和寿命预测体系的建立。氯离子传输规律涉及诸多的不确定性，包括客观不确定性(随机性)和主观不确定性(模糊性)。本文在随机场理论和模糊理论的基础上，建立了基于随机场理论和模糊集合理论的氯离子传输模型，并且考虑裂缝对混凝土结构寿命预测评价体系的影响，通过蒙特卡洛技术进行该过程的模拟分析。
　　 (四)进行了裂缝对氯离子扩散系数和水分对流层深度试验和理论分析。真实混凝土结构往往存在裂缝，因此应用菲克第二定律进行简单预测时，有必要考虑裂缝对其的影响而进行修正。本文通过试验研究，讨论氯离子扩散系数和水分影响深度这两个重要参数的影响。首先分析开裂区附近氯离子含量，氯离子在裂缝处的浓度分布采用电子探针技术(EMPA)分别提取准确的浓度，根据通量守恒原理，考虑裂缝宽度和混凝土配合比，进行了相关的理论分析，提出了氯离子在裂缝区的扩散系数公式；另一方面，在对水分影响深度的试验分析中，通过一系列带有不同裂缝宽度的试件，在人工模拟环境箱进行试验，测试试件中温湿度的变化，试验条件包括周期性的温湿度变化，雨淋和雾气环境，以及雨淋后的干燥过程。