基于氯离子渗透的混凝土结构耐久性研究

论文摘要

混凝土结构常因氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀,进而使结构性能退化、承载能力降低、甚至破坏。为此,不得不花费大量的资金和自然资源进行维修甚至重建,对国家造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。本文针对氯离子侵蚀下混凝土结构的耐久性问题,以混凝土中钢筋初始锈蚀耐久性寿命为主线,从混凝土中氯离子浓度分布预测的数值模拟方法、混凝土中氯离子浓度预测数值模型、混凝土结构耐久性寿命预测的概率方法三个方面进行了以下的研究工作:利用混凝土中非稳态热传导能量守恒微分方程与基于Fick定律的混凝土中氯离子非稳态扩散质量守恒微分方程的相似性,通过对方程中各参数的合理等效,提出了一种基于ANSYS软件热分析模块的预测混凝土中氯离子浓度二维分布的有限元数值模拟方法,并通过与解析解的对比验证了该方法的有效性。运用该方法研究了扩散系数、扩散时间、表面氯离子浓度、构件的截面尺寸、钢筋的存在、钢筋直径大小、钢筋间距大小对混凝土中氯离子二维扩散的影响规律。基于上述有限元数值模拟方法,通过引入各种参数修正氯离子扩散系数,建立了考虑多种因素影响下的氯离子在混凝土中扩散的数值模型,并对模型中各参数进行了详细的讨论,给出了各参数的取值规律。运用该数值模型对一工程实例进行了模拟,通过模拟值与试验值的对比,验证了模型的实用性。基于上述数值模型,以钢筋表面的氯离子浓度达到临界浓度作为耐久性寿命终结的标志,考虑到基准氯离子扩散系数、保护层厚度、表面氯离子浓度和临界氯离子浓度的随机性,基于ANSYS软件概率分析模块建立了基于可靠度的混凝土结构耐久性寿命期望值及耐久性失效概率计算的数值方法。运用该方法分析了各参数的统计特征对耐久性寿命的影响规律。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 混凝土结构耐久性定义
• 1.2 混凝土结构耐久性研究的重要意义
• 1.3 基于氯离子渗透的混凝土结构耐久性研究现状
• 1.3.1 氯离子在混凝土中的传输
• 1.3.2 氯离子侵蚀下混凝土结构的腐蚀
• 1.3.3 混凝土中氯离子浓度预测
• 1.3.4 氯离子侵蚀下混凝土结构寿命预测
• 1.4 基于氯离子渗透的混凝土结构耐久性研究存在的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 2 基于 ANSYS 的混凝土中氯离子二维扩散的数值模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 二维热传导基本理论
• 2.2.1 热传导方程
• 2.2.2 热传导问题的初始条件和边界条件
• 2.3 混凝土中氯离子浓度场基本理论
• 2.3.1 氯离子扩散方程
• 2.3.2 氯离子浓度场问题的初始条件和边界条件
• 2.4 混凝土中氯离子二维扩散的数值模拟方法
• 2.4.1 建立有限元分析模型
• 2.4.2 模拟方法的可行性验证
• 2.5 氯离子二维扩散的影响因素分析
• 2.5.1 扩散系数的影响
• 2.5.2 扩散时间的影响
• 2.5.3 表面氯离子浓度的影响
• 2.5.4 截面尺寸的影响
• 2.6 钢筋对混凝土中氯离子二维扩散的影响
• 2.6.1 钢筋存在对氯离子浓度分布的影响
• 2.6.2 钢筋保护层厚度对氯离子浓度分布的影响
• 2.6.3 钢筋直径及间距对氯离子浓度分布的影响
• 2.7 本章小结
• 3 混凝土中氯离子扩散模型及其验证
• 3.1 引言
• 3.2 氯离子在混凝土中的传输机理
• 3.3 氯离子扩散模型
• 3.3.1 Fick 扩散定律
• 3.3.2 Maage 的扩散模型
• 3.3.3 余红发等的扩散模型
• 3.3.4 本文氯离子扩散模型
• 3.4 模型中参数的分析及取值
• 0 取值'>3.4.1 混凝土基准氯离子扩散系数D₀取值
• 3.4.2 混凝土龄期参数kt 取值
• r 取值'>3.4.3 混凝土结合氯离子能力的参数k_r取值
• k 取值'>3.4.4 混凝土劣化效应系数k_k取值
• e 取值'>3.4.5 混凝土结构暴露环境参数k_e取值
• c 取值'>3.4.6 混凝土养护龄期参数k_c取值
• T 取值'>3.4.7 温度参数k_T取值
• h 取值'>3.4.8 湿度参数k_h取值
• s 取值'>3.4.9 表面氯离子浓度C_s取值
• 3.5 模型验证
• 3.5.1 数值模型的实验验证
• 3.5.2 数值模型的工程验证
• 3.6 本章小结
• 4 基于氯离子渗透的混凝土结构耐久性寿命预测
• 4.1 引言
• 4.2 氯离子侵蚀下混凝土结构的耐久性寿命
• 4.2.1 结构寿命定义
• 4.2.2 氯离子侵蚀下混凝土结构使用寿命的评估准则
• 4.2.3 混凝土结构使用寿命预测方法
• 4.3 基于氯离子渗透的混凝土结构耐久性寿命预测的概率模型
• 4.3.1 耐久性极限状态
• 4.3.2 功能函数
• 4.3.3 混凝土结构耐久性失效概率
• 4.3.4 随机有限元分析
• 4.3.5 Monte Carlo 模拟的基本原理
• 4.4 氯离子侵蚀下混凝土结构耐久性寿命预测及其参数分析
• 4.4.1 概率模型与确定性模型计算比较
• 4.4.2 变量均值对耐久性寿命的影响
• 4.4.3 变量变异系数对耐久性寿命的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 本文创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录