海洋环境氯离子在持压混凝土中传输行为的多尺度研究

发布时间：2020-07-15 10:55

【摘要】：海洋环境下混凝土结构中氯离子传输行为不仅与混凝土自身的物理特性有关,同时还与其所承受的力学及环境作用模式有关。然而,现有相关研究尚未系统考虑这一点,尤其体现在传输定量模型的理论支撑上。本论文以海洋侵蚀环境为背景,以服役状态混凝土结构为对象,从宏观、细观不同尺度深入研究氯离子传输行为,考察传输规律,揭示传输机理,并考虑混凝土的非均质性,建立多种侵蚀方式下氯离子在持续受载混凝土中的传输模型,从而为海洋环境混凝土结构的使用寿命预计奠定基础。本文主要在以下几个方面做了探索性和创新性的工作:1.通过实验结合理论推导出一个粗骨料分布简化模型,在此基础上,进一步推导得到氯离子在考虑混凝土表层特殊状态的无应力混凝土中传输模型。同时,有关结果还表明,边界效应层厚度与骨料的最小粒径有关而不是最大粒径。2.提出串并联耦合模型用来计算复合材料(比如:细观角度混凝土)的扩散系数,并与目前公认的N相球模型进行对比,误差小于5%,验证了本模型的合理性,为以后计算复合材料宏观扩散系数提供了一个新的方法。3.根据弹性力学基本理论,推导了氯离子在持续小应力作用下混凝土中的传输模型,并且从细观角度探讨了各因素对氯离子扩散系数的影响。同时,有关结果还表明,低应力作用下混凝土的氯离子扩散系数随着压缩应力的增大而减小,随着拉伸应力的增大而增大。4.在前述氯离子在考虑混凝土表层特殊状态无应力混凝土中传输模型的基础上,进一步推导了氯离子在考虑表层影响的有应力混凝土中的传输模型。同时,有关结果还表明,混凝土内层所受到的应力要大于混凝土外层所受到的应力。5.提出了一个既考虑应力因素又考虑时间因素的氯离子在持续大应力作用混凝土中的传输模型。同时,有关结果还表明,氯离子侵蚀轴向持续荷载作用下混凝土存在一个应力比临界值(当施加的荷载水平低于应力比临界值时,氯离子的输运性能变化很小,而当施加的荷载水平大于应力比临界值后,氯离子的侵入能力显著增大),此应力比临界值可取0.3。6.借助流体力学理论,考虑水分对流作用对氯离子传输的影响机制,并联合氯离子在饱和状态下混凝土中传输模型的研究结果,推导出氯离子在持续应力作用下干湿循环状态混凝土中的传输模型。同时,有关结果还表明,随着混凝土初始饱和度的降低,表层混凝土区域的氯离子浓度曲线凸起现象逐渐明显。7.以有限元法为基础,基于COMSOL Multiphysics仿真软件平台,联合本文前述各项研究成果,开发出了氯离子在混凝土介质中传输的APP。此APP将氯离子在混凝土中传输的科学编程问题转化为清晰直观的用户界面,用户只需要输入相关的参数,便可以直接得到相关的结果,为混凝土构件的寿命预估奠定基础。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

图 1-1 混凝土结构中钢筋锈蚀案例Figure 1-1 Cases of steel bars corrosion in concrete structure美国国家材料顾问委员会在混凝土耐久性年度报告中指出[9]：将近二十五万座混土桥梁结构出现了各种形式的劣化，其中一部分服役时间不到 20 年就出现了严重的题，并且正在以每年三万座的速度不断递增。1989 年，美国交通部指出[5]：由于除冰和海洋侵蚀环境下引起洲际高速公路桥梁的破坏，仅更换或者维修被侵蚀的混凝土桥面板就要耗资 400 亿美元。美国标准局（NBS）调查表明[10]，在 1975 年、1995 年的国建筑物因受到的腐蚀损失分别为 700 与 3000 亿美元，其中与钢筋腐蚀有关的分别40%与 50%，分别为 280 与 1500 亿美元。1989 年美国运输部门的报告《美国公路桥梁现状》中指出[10]，美国 60 万座路桥由于“盐害”，已经有一半以上遭钢筋腐蚀破或承载力不足、必须修复或重建，修复费高达 1550 亿美元，是这些桥梁初建费用的倍，这说明环境长期的腐蚀作用将造成长远的、巨大的经济损失[11]。在英国，腐蚀引起的钢筋混凝土结构的破坏或承载力不足现象日益严重[10]。南威斯 Ynysy-Gwas 的混凝土桥梁在建成 5 年后便出现了由冬季除冰盐造成了混凝土结严重腐蚀破坏，同样，英格兰岛的中环线上有十几座高架桥，由于冬季除冰盐作用，

图 1-2 氯盐引起的混凝土结构损坏案例Figure 1-2 Damage cases of concrete structure caused by chlorine salt图 1-3 氯盐侵蚀引起钢筋化学腐蚀机理示意图Figure 1-3 Corrosion process of chlorine salt to steel bar 海洋环境混凝土结构中氯离子传输模型研究的意义海洋环境下，混凝土结构根据位置和暴露条件的差异，大致可以分为盐雾区、浪溅潮汐区和水下区，如图 1-4 所示。其中，浪溅区和潮汐区属于因水位变动而导致的

5图 1-3 氯盐侵蚀引起钢筋化学腐蚀机理示意图Figure 1-3 Corrosion process of chlorine salt to steel bar海洋环境混凝土结构中氯离子传输模型研究的意义洋环境下，混凝土结构根据位置和暴露条件的差异，大致可以分为盐雾区、浪汐区和水下区，如图 1-4 所示。其中，浪溅区和潮汐区属于因水位变动而导致替环境区，随着干湿状态的改变，混凝土构件受到了水分和氯离子侵蚀的混合且，相对于全饱和的混凝土盐溶液环境，干湿交替环境下，氯离子侵入混凝土显加快，使得混凝土更容易发生钢筋锈蚀而使混凝土结构丧失耐久性。

【参考文献】

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本文编号：2756399