电化学方法去除混凝土中氯化物的有限元模拟

论文摘要

氯化物引起的钢筋腐蚀已经成为了混凝土结构提前失效最主要最普遍的原因。针对如何处理氯化物所带来的腐蚀这一问题,人们现今更多的关注于发展可供选择的补救措施。电化学脱盐方法就是以此为目的发展出来的一项新技术。近年来,对电化学脱盐方法去除混凝土中氯化物,该领域的学者做了大量的研究分析,其中大部分的结论都是通过试验测得的。当然数学模型也是接踵而至,但一般都是采用MATALB编程模拟的。以便提高解决问题的速度和精度,该论文采用COMSOL程序对电化学脱盐方法做了有限元的模拟,该程序是解决各种物理场耦合以及偏微分方程的专业软件。这样,即避免了编制复杂的MATLAB程序,也能更直观有效的模拟电化学脱盐的整个过程。本文首先采用COMSOL建立了电化学脱盐的二维模型,利用模拟结果与试验数据的对比来验证模型的有效性,接着考虑了水泥胶体对氯离子的吸附结合作用、混凝土本身的水灰比、电流密度、混凝土孔隙溶液中氯离子初始浓度、混凝土保护层厚度、同层钢筋表面积与混凝土截面积之比、多边设置独立阳极等电技术因素和混凝土技术因素对电化学脱盐整个过程以及各种离子运动变化的影响,计算得出了各影响因素与电化学脱盐效率的关系曲线。同时,从经济的角度考虑,外加电解液阳极不可能沿钢筋混凝土构件长度方向全部布置,本文还建立了电化学脱盐方法的三维模型,分析外加电解液阳极轴向长度与整个构件长度的比值对脱盐效率的影响。实际工程中设计人员采用COMSOL计算也是比较复杂的。为了工程处理的方便,本文根据得到的各影响因素与电化学脱盐效率的关系曲线,拟合成关系方程,并考虑各因素间的耦合,以及时间因素的作用,回归得出脱盐效率的总方程。对应实际工程的电化学脱盐相关技术参数,该方程可以快速的计算出要求的脱盐效率所需要的时间。这样可以根据工程实际的需要,改变相应的脱盐技术参数,来改变脱盐的时间,进一步达到优化电化学脱盐的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文主要研究的目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 电化学脱盐模型简介及试验验证
• 2.1 引言
• 2.2 COMSOL 简介
• 2.3 模型简介
• 2.3.1 电化学脱盐的物理模型
• 2.3.2 二维COMSOL 模型
• 2.4 试验验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 电化学脱盐影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 影响因素分析
• 3.2.1 扩散系数
• 3.2.2 电流密度
• 3.2.3 混凝土孔隙溶液中氯离子的初始浓度值
• 3.2.4 混凝土保护层厚度
• 3.2.5 同层钢筋表面积与混凝土截面积之比
• 3.2.6 多边阳极处理
• 3.3 本章小结
• 第4章 脱盐效率拟合方程
• 4.1 引言
• 4.2 拟合方程
• 4.2.1 脱盐效率与水灰比的拟合方程
• 4.2.2 脱盐效率与电流密度的拟合方程
• 4.2.3 脱盐效率与氯离子初始浓度的拟合方程
• 4.2.4 脱盐效率与混凝土保护层厚度的拟合方程
• 4.2.5 脱盐效率与同层钢筋表面积和混凝土截面积之比的拟合方程
• 4.2.6 脱盐效率与阳极边数的拟合方程
• 4.2.7 脱盐效率与时间的拟合方程
• 4.3 各因素间的耦合作用
• c 与保护层厚度H'>4.3.1 混凝土水灰比w_c与保护层厚度H
• 4.3.2 电流密度I 与混凝土保护层厚度H
• 4.3.3 电流密度I 与阳极边数N
• 4.3.4 混凝土保护层厚度H 与阳极边数N
• 4.3.5 混凝土保护层厚度H 与钢筋表面积和混凝土截面积之比R
• 4.4 修正拟合方程
• 4.4.1 保护层厚度H 与阳极边数N
• 4.4.2 电流密度I 与阳极边数N
• 4.4.3 保护层厚度H 与钢筋表面积和混凝土截面积之比R
• 4.5 本章小结
• 第5章 电化学脱盐的三维模型
• 5.1 引言
• 5.2 外加电解质溶液求解域
• 5.2.1 COMSOL 模型对比
• 5.2.2 结果比较
• 5.3 三维模型
• 5.3.1 三维模型简介
• 5.3.2 阳极轴向长度与构件总长之比
• 5.4 本章小节
• 第6章 电化学脱盐效率总方程
• 6.1 引言
• 6.2 脱盐效率总方程
• 6.3 误差分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢