多盐多场耦合作用下海底隧道混凝土氯离子传输机制研究

发布时间：2020-10-20 12:36

　　 海底隧道因其不妨碍船舶航运且尽可能减少对海洋生态环境的影响,而成为连接海峡、海湾之间优先考虑的全天候海峡通道。目前,已完成通车、在建待完工和拟建的海底隧道越来越多。根据以往的工程案例,国内外海工建筑物在海洋环境中都受到不同程度的有害物质侵蚀破坏,后期的维修或重建造成了巨大的经济负担。因此,海工建筑结构的耐久性受到高度重视。由于海底隧道服役环境的复杂性,当前评价海底隧道混凝土耐久性的关键性指标-混凝土氯离子扩散系数的方法逐渐由单物理场测试转向多物理场模拟。因此,本文以海底隧道混凝土为研究对象,在中国博士后科学基金(编号:2015M571601)资助下,模拟了海底隧道多盐(氯盐和硫酸盐)多场(浓度场和压力场)的物理环境,通过引入微流体力学和多孔介质渗流力学的理论,建立混凝土在多盐多场耦合作用下氯离子传输方程,推导了传输方程的定解函数,利用已有研究成果和模拟测试修正 了氯离子传输系数,从而确立了适用于描述多盐多场耦合作用下混凝土氯离子浓度随时间和深度演变的分布函数,并通过实验室模拟实验验证了氯离子分布函数的正确性和有效性。本文所建立模型可以直接指导当前水深小于100m以下拟建海底隧道混凝土耐久性的设计及已建或在建海底隧道混凝土剩余寿命的预测。通过研究和分析,得出如下重要结论:(1)硫酸盐的存在明显延缓了氯离子在混凝土中的传输过程,但硫酸盐对低水胶比混凝土氯离子扩散的延缓作用不如高水胶比混凝土明显。(2)较低的静水压(0.5MPa)可以使得高水胶比的混凝土氯离子浓度分布曲线倾向于呈反S型,氯离子传输过程倾向于以对流传输为主。(3)低水胶比混凝土或掺入粉煤灰可以抵抗较高静水压(1MPa),从而能够降低混凝土表面一定深度范围内氯离子的浓度,并且可以有效降低复合盐溶液在混凝土内部的渗流速度,使得氯离子的传输由以对流传输为主转为以扩散传输为主。(4)利用COMSOL仿真软件建立混凝土的氯离子传输的仿真模型,能够有效地模拟骨料对混凝土氯离子传输的影响规律。(5)氯离子的传输深度随骨料含量增加呈现线性降低,但界面区的界面效应对氯离子传输产生了促进作用。当骨料含量较低时,骨料对氯离子渗透的抑制作用占主导,但是随着骨料含量的增加,界面效应愈发明显。
【学位单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U459.5;U454
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景及研究目的与意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究目的与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 氯离子对钢筋混凝土的侵蚀研究
        1.2.2 硫酸根离子对钢筋混凝土的侵蚀研究
        1.2.3 氯离子和硫酸根离子耦合侵蚀研究
        1.2.4 海底隧道多因素耦合作用下侵蚀研究
    1.3 研究内容及拟解决的关键问题
    1.4 研究方法与手段
        1.4.1 研究方法
        1.4.2 研究手段
    1.5 技术路线
    1.6 预期成果和主要创新点
2 材料与方法
    2.1 混凝土原材料
    2.2 混凝土配合比
    2.3 试验方法
        2.3.1 混凝土的强度
        2.3.2 混凝土抗渗性能的测试-相对抗渗试验
        2.3.3 混凝土开口孔隙率的测定
        2.3.4 混凝土氯离子结合能力的测定
        2.3.5 氯离子自然扩散试验
        2.3.6 水压力下氯离子迁移实验研究
3 传输方程的构建与求解
    3.1 多孔介质中化学物质传输方程的建立
        3.1.1 微观尺度流体(Micro-/NanoscaleFluid)中化学物质的传输机制
        3.1.2 多孔介质中化学物质传输方程(宏观尺度)
    3.2 多盐多场耦合作用下混凝土中氯离子传输方程的求解
        3.2.1 氯盐浓度场驱动下的氯离子扩散传质方程求解(C)
        3.2.2 硫酸盐-氯盐浓度场耦合作用下氯离子扩散传质方程的求解(CS)
        3.2.3 多盐浓度场耦合作用下的氯离子传输方程求解(CSE)
        3.2.4 压力场驱动下的混凝土氯离子对流传质方程求解(P)
        3.2.5 浓度场-压力场耦合作用下氯离子的扩散-对流传质方程求解(CSP)
        3.2.6 多盐多场耦合作用下的氯离子传输方程求解(CSEP)
    3.3 本章小结
4 混凝土氯离子传输模型的分析与验证
    4.1 硫酸盐-氯盐浓度场耦合作用下氯离子传输模型(CS)分析
    4.2 硫酸盐-氯盐-压力场耦合作用下氯离子传输模型(CSP)分析
    4.3 本章小结
5 骨料对氯离子传输性能的影响
    5.1 引言
    5.2 基于COMSOL的粗骨料混凝土传输性能数值分析
        5.2.1 混凝土随机骨料模型
        5.2.2 模拟参数设定及网格划分
    5.3 模型可行性验证
        5.3.1 模型精确度验证
        5.3.2 模型有效性验证
    5.4 模拟结果及分析
        5.4.1 骨料含量对氯离子传输性能的影响
        5.4.2 界面区厚度对氯离子传输性能的影响
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 主要结论
    6.2 有待于进一步研究的问题
致谢
参考文献
附录 A：攻读硕士期间主要成果及参与科研项目情况

【参考文献】

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本文编号：2848689