干湿循环与荷载耦合作用下氯离子侵蚀混凝土模型研究

论文摘要

混凝土结构耐久性问题是当今工程界普遍关注的问题。干湿交替区域混凝土受氯离子侵蚀严重,以往氯离子侵蚀模型均忽略荷载作用而与实际不符。本文针对此问题,研究了非饱和状态下混凝土氯离子侵蚀模型,混凝土水分扩散表面因子和荷载对氯离子侵蚀的影响。论文主要研究工作有:(1)从基础物理过程出发,介绍了扩散和对流的基本理论;考虑混凝土内孔隙溶液的对流和氯离子随浓度扩散的耦合作用,建立了氯离子在非饱和混凝土中的运输模型,并采用有限差分方法解决模型计算;设计试验研究干湿循环作用对氯离子侵蚀的影响,试验结果与模型结果有良好的相关性。(2)在干湿循环过程中,干燥边界条件受环境影响而难以确定。水分扩散表面因子是分析混凝土湿度场干燥过程中的关键因素。本文引入混凝土表面孔隙面积和孔隙中的水分扩散系数两个参数,推导混凝土湿度场的第三类边界条件;将混凝土表面水分对流扩散简化为不可压缩流体一维平板壁面对流传质问题,根据质量守恒和平板壁面对流传质理论,建立了混凝土干燥过程水分扩散表面因子的理论模型,同时给出了模型的近似解。试验分析结果表明,理论模型和试验结果吻合良好。(3)分析了荷载作用影响氯离子侵蚀混凝土的机理;通过荷载对混凝土孔隙的影响以及荷载对混凝土平均孔径和孔径分布的影响,建立荷载作用下氯离子侵蚀混凝土模型。最后,设计混凝土材料在荷载作用下氯离子侵蚀试验,分析试验结果,试验与理论模型结论一致。本论文得到了国家自然科学基金重点项目(50838008)、国家重点基础发展计划资助项目(2009CB623200)、教育部博士点基金项目(20070335087)的资助。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1. 引言
• 1.2. 氯离子侵蚀研究背景和意义
• 1.2.1. 氯离子侵蚀钢筋锈蚀机理
• 1.2.2. 我国面临严重的桥梁隧道钢筋锈蚀问题
• 1.3. 氯离子侵蚀混凝土研究进展
• 1.3.1. 由恒定扩散系数向变化扩散系数研究发展
• 1.3.2. 由水饱和状态下扩散向非饱和状态下多作用耦合发展
• 1.3.3. 由无荷载，无裂缝和无损伤向加载，开裂，损伤混凝土发展
• 1.4. 本文的研究意义
• 1.4.1. 基于研究现状的几点思考
• 1.4.2. 本文主要研究内容
• 2. 非饱和混凝土氛离子侵蚀模型与试验
• 2.1. 引言
• 2.2. 氯离子在非饱和混凝土中的运输机理
• 2.2.1. 扩散作用
• 2.2.2. 对流作用
• 2.3. 氯离子在非饱和混凝土中的运输模型
• 2.3.1. 非饱和状态下混凝土氯离子侵蚀模型
• 2.3.2. 模型数值解
• 2.3.3. 参数分析
• 2.4. 干湿循环作用下混凝土氯离子侵蚀试验
• 2.4.1. 试验原材料
• 2.4.2. 试验设计和测试方法
• 2.4.3. 试验结果分析
• 2.5. 本章小结
• 3. 混凝土水分扩散表面因子
• 3.1. 引言
• 3.1.1. 混凝土水分蒸发理论
• 3.1.2. 混凝土扩散表面因子理论
• 3.2. 平板壁面对流传质
• 3.2.1. 对流传质机理
• 3.2.2. 对流传质系数
• 3.3. 混凝土扩散表面因子理论模型
• 3.3.1. 扩散理论和边界条件
• 3.3.2. 平板壁面对流传质模型
• 3.3.3. 水分扩散表面因子
• 3.3.4. 理论模型参数分析
• 3.4. 试验验证
• 3.4.1. 试验原理
• 3.4.2. 试验材料和试验环境
• 3.4.3. 测试方法
• 3.5. 试验结果与讨论
• 3.5.1. 试件表面湿度变化
• 3.5.2. 试件质量变化
• 3.5.3. 理论模型与试验结果比较
• 3.6. 本章小结
• 4. 荷载作用下氯离子侵蚀模型与试验
• 4.1. 引言
• 4.2. 荷载作用下氯离子侵蚀模型
• 4.2.1. 荷载影响氯离子侵蚀混凝土机理
• 4.2.2. 荷载与混凝土孔隙率变化的关系
• 4.2.3. 荷载对混凝土孔径变化的影响
• 4.3. 荷载作用下混凝土氯离子侵蚀试验
• 4.3.1. 试验原材料
• 4.3.2. 试验设计和测试方法
• 4.3.3. 试验结果分析
• 4.4. 荷载与干湿循环作用下氯离子侵蚀混凝土算例
• 4.4.1. 程序分析基本框架
• 4.4.2. 模型试算
• 4.5. 本章小结
• 5. 结论与展望
• 5.1. 本文主要研究成果
• 5.2. 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读硕士期间发表的论文