荷载对混凝土氯离子扩散性能和钢筋初锈时间的影响

论文摘要

混凝土结构的应用日益广泛，其中的耐久性问题也日益增多，专家对混凝土结构的耐久性研究更加重视。氯离子侵蚀对混凝土结构的耐久性具有重大影响，氯离子侵入混凝土中将导致钢筋锈蚀，钢筋锈蚀则进一步影响混凝土结构性能导致混凝土保护层胀裂或剥落，最终造成混凝土结构发生耐久性破坏。混凝土结构的使用都是处于荷载与环境共同作用下的，荷载作用对混凝土中氯离子扩散性能的影响不容忽视。本文以Fick第二定律和Monte Carlo方法为基础，以既有工程及室内模拟试验数据为依据，对荷载作用下混凝土氯离子的扩散系数及混凝土中钢筋初锈时间进行理论研究。主要进行以下工作：1、以现有研究为基础，从理论上对混凝土氯离子扩散理论模型的适用性进行研究，分析了考虑对流区影响下的氯离子扩散模型，并以试验测试的混凝土中氯离子浓度为依据，对考虑对流区后的Fick第二定律的解析解进行验证。2、混凝土结构在使用过程中都是处于荷载作用之下的，以Fick第二定律和扩散方程为基础，推导了不同荷载水平下氯离子扩散系数恒定时的计算比值λ的计算公式，并结合试验数据验证其合理性。3、在Thomas模型的基础上，推导了氯离子扩散系数随时间变化时的氯离子扩散系数计算比值公式，并结合试验数据进行验证。以腐蚀时间为40d的扩散系数为基础，对腐蚀80d、120d、160d和200d的扩散系数进行计算比值计算，验证其合理性。结论表明，混凝土扩散系数比值λ较好地反映了荷载水平对扩散性能的影响。4、在Fick第二定律的基础上，考虑荷载作用对扩散方程的边界条件的影响，分析氯离子表面浓度或对流区与扩散区的界面浓度与荷载水平之间的关系，推导了此边界条件下的氯离子扩散新方程，并根据试验数据验证了其合理性。5、混凝土中钢筋锈蚀是导致结构破坏的直接原因，腐蚀时间、混凝土保护层厚度、荷载作用等对钢筋初锈时间都有明显影响。以试验数据为依据，基于Monte Carlo模拟方法逐一对腐蚀时间、保护层厚度、荷载作用三个主要因素对钢筋初锈时间的影响进行分析。结论表明，弯曲荷载作用的影响更大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 本文的研究背景和意义
• 1.2.1 混凝土结构的氯离子侵蚀及其后果
• 1.2.2 荷载作用对氯离子侵蚀的影响
• 1.3 混凝土中氯离子侵蚀与钢筋锈蚀的研究现状及分析
• 1.3.1 混凝土氯离子扩散理论研究
• 1.3.1.1 氯离子扩散理论基础模型
• 1.3.1.2 氯离子扩散理论修正模型
• 1.3.2 国内外有关钢筋初始锈蚀的理论研究现状
• 1.3.2.1 氯离子扩散系数恒定的钢筋初锈时间模型
• 1.3.2.2 氯离子扩散系数随时间变化的钢筋初锈时间模型
• 1.3.2.3 氯离子扩散系数随时间分段变化的钢筋初锈时间模型
• 1.3.3 氯离子侵蚀混凝土的试验研究现状
• 1.3.3.1 氯离子侵蚀试验及既有混凝土侵蚀
• 1.3.3.2 混凝土构件中钢筋锈蚀试验
• 1.3.4 荷载作用对混凝土氯离子扩散性能及钢筋锈蚀研究
• 1.3.4.1 荷载作用下的侵蚀试验
• 1.3.4.2 荷载作用对混凝土氯离子扩散的影响
• 1.3.4.3 荷载作用对钢筋锈蚀的影响
• 1.3.5 研究现状分析
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 混凝土中氯离子扩散的描述模型及适用性
• 2.1 前言
• 2.2 混凝土中氯离子侵蚀机理
• 2.2.1 氯离子侵入混凝土的机理
• 2.2.1.1 氯离子侵入混凝土的途径
• 2.2.1.2 氯离子侵入混凝土的机理
• 2.2.2 氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀
• 2.3 混凝土中氯离子扩散的描述模型及分析
• 2.3.1 扩散系数恒定的氯离子扩散模型
• 2.3.2 扩散系数随时间变化的氯离子扩散模型
• 2.3.3 考虑对流区厚度的氯离子扩散模型
• 2.4 基于 Fick 第二定律描述模型的适用性分析
• 2.4.1 基于 Fick 第二定律描述模型的适用性分析
• 2.4.2 Fick第二定律描述模型适用性分析的算例
• 2.4.2.1 自然扩散法试验结果的算例
• 2.4.2.2 人工气候环境下试验结果的算例
• 2.4.2.3 既有结构实测结果的算例
• 2.5 本章小结
• 第三章 弯曲荷载作用对混凝土氯离子扩散的影响分析
• 3.1 前言
• 3.2 荷载对混凝土氯离子侵蚀及钢筋锈蚀的影响
• 3.2.1 拉压荷载对混凝土中氯离子侵蚀的影响
• 3.2.2 弯曲荷载对混凝土中钢筋锈蚀的影响
• 3.3 弯曲荷载对混凝土氯离子恒定扩散系数的影响
• 3.3.1 氯离子恒定扩散系数的比值
• 3.3.2 弯曲荷载对混凝土氯离子扩散系数影响的试验验证分析
• 3.3.2.1 人工气候环境下弯曲荷载作用的腐蚀试验方案
• 3.3.2.2 人工气候环境下试验的混凝土中氯离子测试
• 3.3.2.3 氯离子扩散系数计算比值
• 3.3.2.4 氯离子扩散系数比值与模拟计算扩散系数比较分析
• 3.4 弯曲荷载对氯离子随时间变化的扩散系数的影响
• 3.4.1 氯离子扩散系数随时间变化模型的扩散比值
• 3.4.2 弯曲荷载对随时间变化的扩散系数影响试验的验证
• 3.4.2.1 人工气候环境下试验方案设计
• 3.4.2.2 试验梁混凝土中自由氯离子浓度测试
• 3.4.2.3 氯离子扩散系数计算比值
• 3.4.2.4 氯离子扩散系数比值与模拟计算扩散系数比较分析
• 3.5 考虑边界条件随荷载水平改变的扩散新方程
• 3.5.1 边界条件随荷载水平改变的扩散新方程推导
• 3.5.2 试验数据对扩散新方程的验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 混凝土构件钢筋初锈时间及荷载作用的影响
• 4.1 前言
• 4.2 混凝土中钢筋初始锈蚀时间的分析方法
• 4.2.1 钢筋锈蚀及初锈时间
• 4.2.2 钢筋初锈时间的分析模型
• 4.2.3 钢筋初锈时间的随机模型
• 4.2.4 混凝土中钢筋初锈时间的临界浓度分析
• 4.2.5 混凝土中钢筋初锈时间预测的随机方法
• 4.3 钢筋初锈时间的影响因素分析
• 4.3.1 人工气候环境下腐蚀时间对钢筋初锈时间的影响分析
• 4.3.2 保护层厚度对钢筋初锈时间的影响分析
• 4.3.3 不同试验环境保护层厚度对钢筋初锈时间的影响
• 4.4 荷载水平对混凝土中钢筋初锈时间的影响
• 4.4.1 相同腐蚀时间下荷载作用对钢筋初锈时间的影响分析
• 4.4.2 弯曲荷载作用下混凝土中钢筋初锈时间的预测
• 4.4.3 弯曲荷载水平对混凝土中钢筋初锈时间的影响分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 混凝土扩散系数恒定的一维扩散模型推导
• 附录2 混凝土扩散系数随时间变化的一维扩散模型推导
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果