氯盐-疲劳荷载耦合作用下混凝土氯离子传输及钢筋锈蚀的分子动力学模拟
发布时间：2021-12-02 20:50
钢筋混凝土结构耐久性失效最主要的原因是钢筋锈蚀,其遵循如下过程:氯离子在混凝土内部传输至钢筋表面,导致钢筋发生锈蚀,锈蚀产物体积发生膨胀挤压混凝土,进而产生锈胀力;随着时间的推移,锈胀力随着锈蚀率和锈蚀产物含量的变化而变化,最终导致混凝土保护层剥落,钢筋混凝土结构表面出现裂缝,随着裂缝的出现,更多的氯离子进入到混凝土内部,导致锈蚀进一步加剧,最终导致结构耐久性失效。氯离子在纳米孔道中传输的速度、数量等因素会影响钢筋锈蚀过程、以及锈蚀产物的含量等,并且锈蚀产物的含量、结构、微观力学性能等因素会影响对锈蚀产物的锈胀力产生影响。在实际服役过程中,钢筋混凝土构件受到车辆、行人、风荷载、雪荷载等各种变化的荷载,在这些荷载和氯盐腐蚀的耦合作用下导致混凝土耐久性发生变化。因此,从钢筋锈蚀的全过程入手,研究在疲劳荷载下氯离子的微观传输特性以及钢筋锈蚀产物的微观力学性能有实际意义。本文利用分子动力学软件,从在疲劳荷载下的氯离子传输和疲劳荷载下的锈蚀产物的微观力学性能两个方面对钢筋锈蚀到开裂的过程进行了模拟,主要内容如下:（1）在微观尺度上对氯离子传输过程进行了模拟。混凝土是复杂的结构,因此,利用水泥浆体...
【文章来源】：重庆交通大学重庆市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
砂浆混凝土两相体系概念图
了氯离子在扩散-对流作用下浓度的变化，利用有限元模拟氯离子在钢筋混凝土模型中的传输。贾立哲[14]基于ANSYS热分析模块，探究了探究钢筋混凝土梁遭受单向、双向、三向氯盐侵蚀至后梁内的氯离子质量分数分布规律，并将数值模拟结果与实验结果相比较，发现数值模拟结果所得的氯离子质量分数与实验结果的总体误差仅为4.73×10-7，与氯离子传输理论模型结果总体误差仅为3.91×10-7。在细观尺度上，金浏[15]基于计算均匀化理论，将混凝土看做由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料建立了细观尺度上的混凝土模型，如图1-2，利用基于损伤和声材料初始导热系数的复合力学方法对损伤单元等效导热系数进行了均匀化，建立了力学和热行为单向耦合的中尺度模型，计算了不同荷载水平下混凝土的有效导热系数（ETC）和温度常此外，还研究了荷载类型（压缩荷载和拉伸荷载）对混凝土等及温度场的影响。结果表明，随着荷载水平的提高，混凝土的等渗系数逐渐减校Zheng[16]根据概率密度函数和累计分布推导出圆形集料的集料数函数，最后将混凝土等效为分散在水泥浆体中的等效骨料，基于布朗运动理论模拟氯离子在混凝土中扩散过程，把并且通过两组实验结果验证了数值模拟的有效性，氯离子的扩散系数的平均误差小于6%。图1-2混凝土细观尺度模型在微观尺度上，水泥基材料是一种结构复杂的混合物，难以建立微观尺度模型，因此将其水化产物中最重要的物质—水化硅酸钙（C-S-H）作为其微观尺度模型。Wan[17]利用分子动力学软件研究了C-S-H的力学性能与分子结构，提出C-A-S-H模型具有非均质性分层特征，在结构上Al3+桥接在有缺陷的硅酸盐链中的相邻氧原子，有助于C-A-S-H凝胶的聚合；Al或Si的增加可以显著提高结构的平均硅酸盐链长，Al原子在层间区域的?
5水化硅酸钙中的Ca+结合，形成Ca-Cl团簇，影响氯离子的传输。李万金[19]基于分子动力学，建立不同宽度和曲折性的纳米孔道，模拟氯离子在纳米通道内的运输过程，基于菲克定律，采用宏观统计和微观模型结合的方法，得出氯离子在不同曲折性和宽度的纳米孔道中的扩散系数，研究表明：纳米通道的宽度越大，氯离子扩散系数越大；曲折的纳米通道会强行改变氯离子传输方向，从而降低氯离子扩散系数。图1-3混凝土孔隙微观模型1.2.3实验研究Fu[20]采用120mm×120mm×1200mm的钢筋混凝土试件，在试件轴向施加单轴拉伸疲劳荷载，在浸水和干湿循环两种条件下，施加不同应力水平的疲劳荷载，实验结果表明，当最大拉伸疲劳载荷在试件极限拉伸载荷的25%到45%之间时，拉伸疲劳损伤能使混凝土中氯离子渗透加速1.5-3.0倍；最大疲劳载荷大于极限拉伸载荷的30%时，氯离子渗透会大大加速。Zhang[21]将一组高强混凝土立方体试块放在-20-18℃的范围内冻融循环，分别在0、5、10…95、100次循环后，对试样进行力学性能和氯离子渗透实验，结果表明，在大约40次冻融循环后，混凝土中会出现可见的损伤。在25-60次循环之前，正常强度混凝土和高强度混凝土的重量损失没有显著差异。除此之外，在正常强度混凝土中，冻融循环引起的重量损失比在高强度混凝土中更快，100冻融循环后，抗压强度和弹性模量分别下降32%和24%。表面氯离子浓度和氯离子扩散系数增加到控制值的两倍左右。柳磊[22]研究了在疲劳荷载与氯离子侵蚀耦合作用下氯离子的一维渗透实验，测试在应力水平为0.3、0.4、0.5、0.6这四种不同应力水平混凝土内部氯离子的含量。结果表明：应力水平较低时混凝土内氯离子含量变化不大，应力水平到达0.5时，随着应力水平的增加，混凝土内氯离子含量越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]环境-荷载耦合作用下钢筋锈蚀产物的分子动力学模拟及其锈胀力分析[J]. 方建柯,徐亦冬,徐立锋,邹毅松. 硅酸盐通报. 2018(10)
[2]疲劳荷载与氯盐耦合作用下混凝土中氯离子扩散行为的试验研究[J]. 柳磊,吕毅刚,禹卓杰,刘杰,彭晖. 实验力学. 2017(04)
[3]氯离子侵蚀下钢筋混凝土非线性锈胀破坏过程模拟[J]. 张芹,郭力. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(05)
[4]钢筋混凝土保护层锈裂行为的细观有限元模拟[J]. 徐亦冬,郑颖颖,杜坤,胡雷. 东南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[5]滨海非饱和钢混结构中氯离子传输的数值模拟[J]. 贾立哲,张英姿,王开源,段一鸣,徐田欣. 哈尔滨工业大学学报. 2015(12)
[6]水化硅酸钙力学性能分子动力学模拟方法对比研究[J]. 周继凯,黄俊凯,林成欢. 科学技术与工程. 2015(28)
[7]混凝土结构中钢筋锈蚀物体积膨胀率研究[J]. 徐港,鲍浩,王青,徐丽丽. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(09)
[8]钢筋混凝土构件锈胀开裂时刻的椭圆形非均匀锈胀应力分析[J]. 刘荣桂,喻孟雄,姜慧,陆春华. 硅酸盐通报. 2015(07)
[9]钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究[J]. 杜修力,张仁波,金浏. 土木建筑与环境工程. 2015(01)
[10]混凝土中氯离子扩散纳米通道紧缩性和曲折性影响的分子动力学模拟[J]. 李万金,郭力,高阳,洪俊. 东南大学学报(自然科学版). 2015(01)
博士论文
[1]细观混凝土分析模型与方法研究[D]. 金浏.北京工业大学 2014
[2]既有钢筋混凝土结构的耐久性评估方法研究[D]. 仲伟秋.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]基于分子动力学理论水分和离子在水泥基材料中传输的研究[D]. 李登科.青岛理工大学 2018
[2]环境—荷载耦合作用与多尺度分析下的钢筋混凝土锈裂模型研究[D]. 徐立锋.重庆交通大学 2017
[3]不同腐蚀环境下锈蚀产物微观形貌及体积膨胀率的对比研究[D]. 陈柳丰.深圳大学 2016
[4]交变荷载与干湿循环联合作用下混凝土氯离子传输机制[D]. 杨涛.长安大学 2016
[5]不同环境下钢筋锈蚀产物的力学性能研究[D]. 任海洋.浙江大学 2010
本文编号：3529184
【文章来源】：重庆交通大学重庆市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
砂浆混凝土两相体系概念图
了氯离子在扩散-对流作用下浓度的变化，利用有限元模拟氯离子在钢筋混凝土模型中的传输。贾立哲[14]基于ANSYS热分析模块，探究了探究钢筋混凝土梁遭受单向、双向、三向氯盐侵蚀至后梁内的氯离子质量分数分布规律，并将数值模拟结果与实验结果相比较，发现数值模拟结果所得的氯离子质量分数与实验结果的总体误差仅为4.73×10-7，与氯离子传输理论模型结果总体误差仅为3.91×10-7。在细观尺度上，金浏[15]基于计算均匀化理论，将混凝土看做由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料建立了细观尺度上的混凝土模型，如图1-2，利用基于损伤和声材料初始导热系数的复合力学方法对损伤单元等效导热系数进行了均匀化，建立了力学和热行为单向耦合的中尺度模型，计算了不同荷载水平下混凝土的有效导热系数（ETC）和温度常此外，还研究了荷载类型（压缩荷载和拉伸荷载）对混凝土等及温度场的影响。结果表明，随着荷载水平的提高，混凝土的等渗系数逐渐减校Zheng[16]根据概率密度函数和累计分布推导出圆形集料的集料数函数，最后将混凝土等效为分散在水泥浆体中的等效骨料，基于布朗运动理论模拟氯离子在混凝土中扩散过程，把并且通过两组实验结果验证了数值模拟的有效性，氯离子的扩散系数的平均误差小于6%。图1-2混凝土细观尺度模型在微观尺度上，水泥基材料是一种结构复杂的混合物，难以建立微观尺度模型，因此将其水化产物中最重要的物质—水化硅酸钙（C-S-H）作为其微观尺度模型。Wan[17]利用分子动力学软件研究了C-S-H的力学性能与分子结构，提出C-A-S-H模型具有非均质性分层特征，在结构上Al3+桥接在有缺陷的硅酸盐链中的相邻氧原子，有助于C-A-S-H凝胶的聚合；Al或Si的增加可以显著提高结构的平均硅酸盐链长，Al原子在层间区域的?
5水化硅酸钙中的Ca+结合，形成Ca-Cl团簇，影响氯离子的传输。李万金[19]基于分子动力学，建立不同宽度和曲折性的纳米孔道，模拟氯离子在纳米通道内的运输过程，基于菲克定律，采用宏观统计和微观模型结合的方法，得出氯离子在不同曲折性和宽度的纳米孔道中的扩散系数，研究表明：纳米通道的宽度越大，氯离子扩散系数越大；曲折的纳米通道会强行改变氯离子传输方向，从而降低氯离子扩散系数。图1-3混凝土孔隙微观模型1.2.3实验研究Fu[20]采用120mm×120mm×1200mm的钢筋混凝土试件，在试件轴向施加单轴拉伸疲劳荷载，在浸水和干湿循环两种条件下，施加不同应力水平的疲劳荷载，实验结果表明，当最大拉伸疲劳载荷在试件极限拉伸载荷的25%到45%之间时，拉伸疲劳损伤能使混凝土中氯离子渗透加速1.5-3.0倍；最大疲劳载荷大于极限拉伸载荷的30%时，氯离子渗透会大大加速。Zhang[21]将一组高强混凝土立方体试块放在-20-18℃的范围内冻融循环，分别在0、5、10…95、100次循环后，对试样进行力学性能和氯离子渗透实验，结果表明，在大约40次冻融循环后，混凝土中会出现可见的损伤。在25-60次循环之前，正常强度混凝土和高强度混凝土的重量损失没有显著差异。除此之外，在正常强度混凝土中，冻融循环引起的重量损失比在高强度混凝土中更快，100冻融循环后，抗压强度和弹性模量分别下降32%和24%。表面氯离子浓度和氯离子扩散系数增加到控制值的两倍左右。柳磊[22]研究了在疲劳荷载与氯离子侵蚀耦合作用下氯离子的一维渗透实验，测试在应力水平为0.3、0.4、0.5、0.6这四种不同应力水平混凝土内部氯离子的含量。结果表明：应力水平较低时混凝土内氯离子含量变化不大，应力水平到达0.5时，随着应力水平的增加，混凝土内氯离子含量越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]环境-荷载耦合作用下钢筋锈蚀产物的分子动力学模拟及其锈胀力分析[J]. 方建柯,徐亦冬,徐立锋,邹毅松. 硅酸盐通报. 2018(10)
[2]疲劳荷载与氯盐耦合作用下混凝土中氯离子扩散行为的试验研究[J]. 柳磊,吕毅刚,禹卓杰,刘杰,彭晖. 实验力学. 2017(04)
[3]氯离子侵蚀下钢筋混凝土非线性锈胀破坏过程模拟[J]. 张芹,郭力. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(05)
[4]钢筋混凝土保护层锈裂行为的细观有限元模拟[J]. 徐亦冬,郑颖颖,杜坤,胡雷. 东南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[5]滨海非饱和钢混结构中氯离子传输的数值模拟[J]. 贾立哲,张英姿,王开源,段一鸣,徐田欣. 哈尔滨工业大学学报. 2015(12)
[6]水化硅酸钙力学性能分子动力学模拟方法对比研究[J]. 周继凯,黄俊凯,林成欢. 科学技术与工程. 2015(28)
[7]混凝土结构中钢筋锈蚀物体积膨胀率研究[J]. 徐港,鲍浩,王青,徐丽丽. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(09)
[8]钢筋混凝土构件锈胀开裂时刻的椭圆形非均匀锈胀应力分析[J]. 刘荣桂,喻孟雄,姜慧,陆春华. 硅酸盐通报. 2015(07)
[9]钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究[J]. 杜修力,张仁波,金浏. 土木建筑与环境工程. 2015(01)
[10]混凝土中氯离子扩散纳米通道紧缩性和曲折性影响的分子动力学模拟[J]. 李万金,郭力,高阳,洪俊. 东南大学学报(自然科学版). 2015(01)
博士论文
[1]细观混凝土分析模型与方法研究[D]. 金浏.北京工业大学 2014
[2]既有钢筋混凝土结构的耐久性评估方法研究[D]. 仲伟秋.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]基于分子动力学理论水分和离子在水泥基材料中传输的研究[D]. 李登科.青岛理工大学 2018
[2]环境—荷载耦合作用与多尺度分析下的钢筋混凝土锈裂模型研究[D]. 徐立锋.重庆交通大学 2017
[3]不同腐蚀环境下锈蚀产物微观形貌及体积膨胀率的对比研究[D]. 陈柳丰.深圳大学 2016
[4]交变荷载与干湿循环联合作用下混凝土氯离子传输机制[D]. 杨涛.长安大学 2016
[5]不同环境下钢筋锈蚀产物的力学性能研究[D]. 任海洋.浙江大学 2010
本文编号：3529184
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