硫酸盐侵蚀环境下的混凝土扩散反应规律研究及数值模拟

论文摘要

混凝土耐久性损伤不仅导致混凝土结构的服役寿命缩短,而且影响到工程结构服役的安全性和可靠性。引起混凝土结构耐久性损伤的因素很多,硫酸盐侵蚀是引起混凝土耐久性损伤失效的重要环境因素之一。开展硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性损伤研究对提高混凝土结构设计的安全性与预测其服役寿命的科学性具有重要的理论意义和应用价值。本文针对硫酸盐侵蚀下混凝土的扩散反应规律及理论模型进行了深入的研究,主要内容有：首先,介绍了国内外混凝土结构耐久性研究的现状及硫酸盐侵蚀混凝土的损伤机理。其次,基于Fick第二定律,建立了硫酸盐侵蚀作用下混凝土的一维、二维及三维非线性非稳态扩散反应微分方程,并运用有限差分方法,获得了微分方程的求解方法。最后,通过数值仿真,分析了硫酸盐侵蚀环境下硫酸根离子在混凝土内的扩散反应规律,并开展了一维扩散反应规律的实验测试与理论分析结果的对比研究。结果表明：在受硫酸盐侵蚀的混凝土内部,硫酸根离子的浓度和化学反应消耗的离子浓度均呈阶梯性分布。随着侵蚀时间的增加,硫酸根离子在混凝土中的扩散反应最终达到动态平衡状态,混凝土内距离扩散源越近的位置达到平衡所需的时间越短,平衡时浓度值越高；硫酸盐侵蚀作用下的一维扩散反应规律的理论分析结果与实验测试结果较为一致。可见,本文所建立的模型可用于分析硫酸盐侵蚀下混凝土的扩散反应规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.2 混凝土结构耐久性研究现状及其发展
• 1.3 硫酸盐侵蚀下的混凝土耐久性研究概况
• 1.3.1 硫酸盐侵蚀混凝土研究现状
• 1.3.2 硫酸盐侵蚀混凝土的耐久性分析模型
• 1.4 硫酸盐侵蚀混凝土的损伤机理
• 1.4.1 水泥的水化过程及产物
• 1.4.2 混凝土耐久性的硫酸盐侵蚀机理及破坏类型
• 1.4.3 膨胀晶体生成的化学反应
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 一维变系数扩散反应过程
• 2.1 引言
• 2.2 基于电解质理论的扩散系数模型
• 2.3 一维扩散反应方程
• 2.3.1 数学模型
• 2.3.2 求解方法
• 2.3.3 算例分析
• 2.4 实验测试与分析
• 2.4.1 原材料及配合比设计
• 2.4.2 试件成型、养护及在硫酸盐溶液中的浸泡制度
• 2.4.3 混凝土中离子浓度的测试方法及测试结果
• 2.4.4 混凝土中离子浓度的理论模型结果与实验测试结果的对比
• 2.5 本章小节
• 3 二维变系数扩散反应过程
• 3.1 引言
• 3.2 二维扩散反应方程
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 求解方法
• 3.2.3 稳定性与误差分析
• 3.2.4 算例分析
• 3.3 本章小节
• 4 三维变系数扩散反应过程
• 4.1 概述
• 4.2 三维扩散反应方程
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 求解方法
• 4.2.3 算例分析
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文的研究工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录