钢筋混凝土中氯离子传输三维细观数值模拟研究

摘要

海洋环境下，氯离子侵蚀混凝土造成钢筋锈蚀，进而导致混凝土结构承载力下降甚至破坏的情况屡见不鲜，氯离子入侵问题已成为混凝土耐久性分析的热点。混凝土中氯离子的扩散是一个长期缓慢的过程，目前研究混凝土中氯离子扩散的方法主要包括物模试验和数值模拟两类。其中，物模试验的实施周期长，会消耗大量的时间和精力，并且难以对混凝土的细观结构和性质做出准确的研究，而数值模拟不仅可以模拟长周期氯离子扩散，而且可以研究混凝土的细观特性，是一种快捷有效的研究方法，越来越多的学者采用数值模拟的方法对混凝土中氯离子扩散进行研究。混凝土的细观结构主要包含水泥砂浆、粗骨料和界面过渡区三部分，这三者的各项性质均可能会对氯离子的扩散产生较大的影响。为了更加深入地研究混凝土中氯离子传递的规律和性质，本文着眼于细观层面上钢筋混凝土中氯离子的扩散过程，建立了混凝土三维球形随机骨料模型，提出了混凝土中氯离子扩散的细观数值模拟方法，通过数值模拟研究了界面过渡区、粗骨料体积分数、钢筋阻滞效应以及荷载作用对氯离子扩散的影响，旨在从细观层面上更准确地探究混凝土中氯离子的扩散规律。本文主要研究内容如下：
　　1、对钢筋锈蚀和混凝土中氯离子传输的研究成果进行总结，梳理出混凝土中氯离子扩散的基本模型。通过整合、对比和分析，提出本文所选用的混凝土中氯离子扩散模型。
　　2、用MATLAB建立混凝土三维球形随机骨料模型，考虑了混凝土中骨料粒径大小和位置分布的随机性，更接近真实情况。基于该模型和COMSOL软件建立了从细观层面上对氯离子扩散进行模拟的数值模拟方法，将数值计算结果与试验结果对比验证模型可靠性。
　　3、用基于混凝土三维球形随机骨料模型的氯离子扩散细观数值模拟方法，研究混凝土细观结构对氯离子扩散的影响，得出混凝土界面过渡区和粗骨料体积分数对混凝土中氯离子扩散的影响规律。
　　4、在素混凝土三维球形随机骨料模型的基础上加入钢筋，建立钢筋混凝土三维球形随机骨料模型。研究钢筋存在对氯离子扩散的影响规律，并探究保护层厚度、钢筋直径、钢筋间距等因素对钢筋阻滞效应的影响。
　　5、研究荷载作用对氯离子扩散的影响，分为混凝土开裂前和开裂后两种情况进行研究。混凝土开裂前，计算荷载作用下混凝土的体积应变，再根据体积应变与扩散系数的关系，得出荷载对氯离子扩散系数的影响。混凝土开裂后，整理出荷载作用下裂缝宽度的计算方法，并研究不同裂缝宽度对氯离子扩散的影响。

目录

声明

第1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 钢筋混凝土中氯离子传递数值模拟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2章 海洋环境下混凝土内氯离子传输机理及模型

2.1 引言

2.2 混凝土内氯离子传输机理

2.3 氯离子侵蚀模型

2.4 本文选用的扩散模型

第3章 混凝土内氯离子扩散细观数值模拟研究

3.1概述

3.2基本概念

3.3混凝土三维球形随机骨料模型

3.4氯离子扩散细观数值模拟

3.5数值模型可行性验证

3.6 三维模型与二维模型对比研究

3.7 本章小结

第4章 混凝土细观结构对氯离子扩散的影响研究

4.1 概述

4.2 细观结构影响机理

4.3 粗骨料对氯离子扩散的影响

4.4 界面过渡区对氯离子扩散的影响

4.5 本章小结

第5章 混凝土中钢筋阻滞效应及其影响因素研究

5.1 概述

5.2 钢筋阻滞效应数值模拟

5.3 钢筋直径的影响

5.4 保护层厚度的影响

5.5 钢筋间距的影响

5.6 本章小结

第6章 荷载作用下混凝土中氯离子扩散

6.1 概述

6.2 混凝土开裂前荷载作用下的氯离子扩散

6.3 混凝土开裂后荷载作用下的氯离子扩散

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文情况说明

致谢