开裂混凝土结构中氯盐诱导钢筋锈蚀特性及寿命预测
发布时间：2021-10-25 04:17
钢筋锈蚀是导致桥梁等钢筋混凝土结构耐久性劣化的关键因素,其不仅关系到桥梁结构的服务功能及结构抗力,也与社会、环境及经济资源的可持续性发展密切相关。因此,研究钢筋混凝土中的钢筋锈蚀特性具有重要的现实意义。钢筋混凝土桥梁结构在长期使用服役过程中,由于自然环境荷载（如冻融循环、碳化）以及机械荷载往复作用,导致结构中混凝土材料及力学性能发生改变而逐渐开裂,使冬季播撒的除冰盐及融雪剂溶于雪水后逐渐渗透进桥梁结构中,破坏了结构中钢筋稳定的钝化环境,使钢筋锈蚀。因此,为阐明氯盐渗透环境下开裂混凝土结构中的钢筋锈蚀特性,预测开裂混凝土结构服役状态,本文开展了以下研究工作:（1）立足于实际混凝土骨料分布情况,将开裂混凝土视为四相复合介质模型;基于室内试验数据,借助物质传递理论方程,利用试验结果与数值分析相结合的方式对氯离子在受损开裂混凝土中的扩散特性进行数值分析,探讨不同裂缝属性如宽度、频数、屈曲度对氯离子传质特性的影响,并基于统计学方法量化影响效应。（2）立足于实际混凝土孔隙液组成成分,利用水泥提取液、去离子水配制出不同pH值的电解液等效模拟钢筋所处不同碳化程度的混凝土材料环境,并利用电化学测试技术对...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
建立基于实际混凝土断面的4相复合介质数值模型
第2章氯离子在开裂损伤混凝土中扩散特性数值模拟11子扩散系数可取DjerbiA等人[50]研究的拟合公式（2.4）、SahmaranM[51]等人研究的拟合公式（2.5）与SchutterG[52]建立的拟合公式（2.6）的均值加以计算，即cc1c2c3D=D+D+D。1110110210410,30801410,80cwwmDwm=（2.4）2112(34.580.002)10cDw=+（2.5）103[28.335.6exp(0.00835)]10,30120cDwwm=（2.6）式中w为裂缝宽度。同时，参考课题组已有相关研究成果[28]，季冻区桥梁结构暴露面氯离子扩散源浓度可取值约为359.83mol/m。因此，本章研究以实际混凝土截面为依托建立带有不同裂缝属性（宽度、数量、曲折度）的开裂混凝土有限元模型，利用FEM有限元分析软件模拟混凝土材料表面接触359.83mol/m氯盐溶质在普通混凝土中以自然条件扩散条件扩散1年的氯离子分布情况，旨在探讨裂缝各属性对氯离子扩散行为的影响。根据混凝土模型的骨料分布特点，裂缝数量变量可取值为0条、1条、2条；裂缝宽度变量取值为0mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm；裂缝屈曲度变量分别取裂缝曲折角度值为0°、15°、30°、45°、60°、75°。在有限元计算中，网格划分方式的不同会导致计算结果稍有差异，因此，为了积累试验数据便于后续的裂缝各属性影响效应统计分析，开裂混凝土扩散域有限元模型采用3种自适应三角形网格划分，最大单元尺寸1~10mm，最小单元尺寸0.002~0.2mm，最大单元生长率为1.2。数值模型网络划分示意图、边界条件及初始值设定如图2.3所示。图2.3开裂混凝土数值模型网格划分及边界条件
第2章氯离子在开裂损伤混凝土中扩散特性数值模拟13图2.5氯离子在不同裂缝数量混凝土模型中的扩散浓度云图同时，在研究裂缝对氯离子扩散的影响时，将裂缝理想化为人工刻划裂缝（裂缝长度、宽度、曲折度可控）是一种简单且有效的方法。图2.5给出了暴露0.1年、0.5年及1年后氯离子在未开裂、存在1条裂缝及2条裂缝混凝土中的浓度分布云图。从图中可知，氯离子在溶质接触混凝土后，裂缝处的氯离子扩散程度较大，氯离子在裂缝位置处有横向扩散的现象，扩散方向平行于混凝土扩散域长度方向。因此，氯离子在裂缝扩散域中存在双向扩散情况。同时，随着裂缝数量的增长，相同暴露时间内，氯离子高浓度区域面积增多，说明氯盐溶质的扩散通量增大，并逐渐蔓延至整个混凝土扩散域中。此外，联合图a(2)-a(3)、b(2)-b(3)、c(2)-c(3)可以看出，在相同暴露时间内，氯离子扩散轮廓在混凝土中远离裂缝的局部区域内受裂缝数量影响较小，换言之，当混凝土产生新的裂缝后，该新生裂缝对氯离子扩散的影响作用会随着混凝土局部区域与裂缝之间距离的增大而减小，说明裂缝对于氯盐溶质的扩散作用影响范围有限。从图a(3)、b(3)、c(3)中可以看出，多条裂缝间的氯离子浓度大于裂缝边缘区的浓度，说明氯离子扩散在混凝土中发生了累计作用，导致裂缝区局部氯离子浓度的增大；裂缝的数量越多，相同暴露时间内氯离子的渗透范围越大，渗透深度越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]两种表面状态钢筋在氯盐环境下的腐蚀特征[J]. 徐港,杨泽稳,张瑞,王青,曾臻. 建筑材料学报. 2019(02)
[2]现代混凝土传输行为与其微结构之间关系的研究方法及其进展[J]. 孙国文,孙伟,王彩辉. 材料导报. 2018(17)
[3]氯离子在开裂混凝土中的扩散特性研究[J]. 张菊辉,刘颖慧,时哲敏. 建筑材料学报. 2018(02)
[4]氯离子在饱和混凝土裂缝中的扩散系数分析[J]. 金浏,杜修力,李悦. 工程力学. 2016(05)
[5]开裂状态下沿海干湿区桥梁粉煤灰混凝土氯离子扩散模型[J]. 陆春华,刘荣桂,崔钊玮,高远. 中国公路学报. 2015(08)
[6]开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟[J]. 杜修力,张仁波,金浏. 北京工业大学学报. 2015(04)
[7]干湿循环条件下钢筋锈蚀的临界氯离子浓度[J]. 孙丛涛,刘诗群,牛荻涛,侯保荣. 建筑材料学报. 2016(02)
[8]碳化及氯离子交互作用下混凝土内钢筋的锈蚀行为[J]. 宋学锋,张县云,高瑞. 建筑材料学报. 2014(05)
[9]临海既有混凝土氯离子侵蚀及钢筋初锈时间预测[J]. 张俊芝,庄华夏,伍亚玲,刘如泰. 建筑材料学报. 2014(03)
[10]裂缝控制宽度对氯盐侵蚀环境中钢筋混凝土受弯构件劣化及维护成本的影响[J]. 杨林虎,李克非,李全旺. 土木工程学报. 2013(11)
博士论文
[1]非饱和混凝土水分与氯离子传输行为研究[D]. 杨林.东南大学 2017
[2]弯曲荷载作用下UHPFRCC的氯离子传输性能和服役寿命预测[D]. 顾春平.东南大学 2016
[3]沥青混合料内部应力分布及其对粘弹性能的影响研究[D]. 郭庆林.吉林大学 2013
硕士论文
[1]多元水泥基材料微结构演变与传输性能的数值模拟[D]. 刘诚.东南大学 2016
本文编号：3456633
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
建立基于实际混凝土断面的4相复合介质数值模型
第2章氯离子在开裂损伤混凝土中扩散特性数值模拟11子扩散系数可取DjerbiA等人[50]研究的拟合公式（2.4）、SahmaranM[51]等人研究的拟合公式（2.5）与SchutterG[52]建立的拟合公式（2.6）的均值加以计算，即cc1c2c3D=D+D+D。1110110210410,30801410,80cwwmDwm=（2.4）2112(34.580.002)10cDw=+（2.5）103[28.335.6exp(0.00835)]10,30120cDwwm=（2.6）式中w为裂缝宽度。同时，参考课题组已有相关研究成果[28]，季冻区桥梁结构暴露面氯离子扩散源浓度可取值约为359.83mol/m。因此，本章研究以实际混凝土截面为依托建立带有不同裂缝属性（宽度、数量、曲折度）的开裂混凝土有限元模型，利用FEM有限元分析软件模拟混凝土材料表面接触359.83mol/m氯盐溶质在普通混凝土中以自然条件扩散条件扩散1年的氯离子分布情况，旨在探讨裂缝各属性对氯离子扩散行为的影响。根据混凝土模型的骨料分布特点，裂缝数量变量可取值为0条、1条、2条；裂缝宽度变量取值为0mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm；裂缝屈曲度变量分别取裂缝曲折角度值为0°、15°、30°、45°、60°、75°。在有限元计算中，网格划分方式的不同会导致计算结果稍有差异，因此，为了积累试验数据便于后续的裂缝各属性影响效应统计分析，开裂混凝土扩散域有限元模型采用3种自适应三角形网格划分，最大单元尺寸1~10mm，最小单元尺寸0.002~0.2mm，最大单元生长率为1.2。数值模型网络划分示意图、边界条件及初始值设定如图2.3所示。图2.3开裂混凝土数值模型网格划分及边界条件
第2章氯离子在开裂损伤混凝土中扩散特性数值模拟13图2.5氯离子在不同裂缝数量混凝土模型中的扩散浓度云图同时，在研究裂缝对氯离子扩散的影响时，将裂缝理想化为人工刻划裂缝（裂缝长度、宽度、曲折度可控）是一种简单且有效的方法。图2.5给出了暴露0.1年、0.5年及1年后氯离子在未开裂、存在1条裂缝及2条裂缝混凝土中的浓度分布云图。从图中可知，氯离子在溶质接触混凝土后，裂缝处的氯离子扩散程度较大，氯离子在裂缝位置处有横向扩散的现象，扩散方向平行于混凝土扩散域长度方向。因此，氯离子在裂缝扩散域中存在双向扩散情况。同时，随着裂缝数量的增长，相同暴露时间内，氯离子高浓度区域面积增多，说明氯盐溶质的扩散通量增大，并逐渐蔓延至整个混凝土扩散域中。此外，联合图a(2)-a(3)、b(2)-b(3)、c(2)-c(3)可以看出，在相同暴露时间内，氯离子扩散轮廓在混凝土中远离裂缝的局部区域内受裂缝数量影响较小，换言之，当混凝土产生新的裂缝后，该新生裂缝对氯离子扩散的影响作用会随着混凝土局部区域与裂缝之间距离的增大而减小，说明裂缝对于氯盐溶质的扩散作用影响范围有限。从图a(3)、b(3)、c(3)中可以看出，多条裂缝间的氯离子浓度大于裂缝边缘区的浓度，说明氯离子扩散在混凝土中发生了累计作用，导致裂缝区局部氯离子浓度的增大；裂缝的数量越多，相同暴露时间内氯离子的渗透范围越大，渗透深度越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]两种表面状态钢筋在氯盐环境下的腐蚀特征[J]. 徐港,杨泽稳,张瑞,王青,曾臻. 建筑材料学报. 2019(02)
[2]现代混凝土传输行为与其微结构之间关系的研究方法及其进展[J]. 孙国文,孙伟,王彩辉. 材料导报. 2018(17)
[3]氯离子在开裂混凝土中的扩散特性研究[J]. 张菊辉,刘颖慧,时哲敏. 建筑材料学报. 2018(02)
[4]氯离子在饱和混凝土裂缝中的扩散系数分析[J]. 金浏,杜修力,李悦. 工程力学. 2016(05)
[5]开裂状态下沿海干湿区桥梁粉煤灰混凝土氯离子扩散模型[J]. 陆春华,刘荣桂,崔钊玮,高远. 中国公路学报. 2015(08)
[6]开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟[J]. 杜修力,张仁波,金浏. 北京工业大学学报. 2015(04)
[7]干湿循环条件下钢筋锈蚀的临界氯离子浓度[J]. 孙丛涛,刘诗群,牛荻涛,侯保荣. 建筑材料学报. 2016(02)
[8]碳化及氯离子交互作用下混凝土内钢筋的锈蚀行为[J]. 宋学锋,张县云,高瑞. 建筑材料学报. 2014(05)
[9]临海既有混凝土氯离子侵蚀及钢筋初锈时间预测[J]. 张俊芝,庄华夏,伍亚玲,刘如泰. 建筑材料学报. 2014(03)
[10]裂缝控制宽度对氯盐侵蚀环境中钢筋混凝土受弯构件劣化及维护成本的影响[J]. 杨林虎,李克非,李全旺. 土木工程学报. 2013(11)
博士论文
[1]非饱和混凝土水分与氯离子传输行为研究[D]. 杨林.东南大学 2017
[2]弯曲荷载作用下UHPFRCC的氯离子传输性能和服役寿命预测[D]. 顾春平.东南大学 2016
[3]沥青混合料内部应力分布及其对粘弹性能的影响研究[D]. 郭庆林.吉林大学 2013
硕士论文
[1]多元水泥基材料微结构演变与传输性能的数值模拟[D]. 刘诚.东南大学 2016
本文编号：3456633
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