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氯离子在混凝土中的输运机理研究

作　者: 张奕
导　师: 金伟良
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土结构耐久性氯离子输运机理非饱和干湿交替区域氯离子扩散系数材料损伤
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

混凝土结构的耐久性问题是当今工程界所普遍关注的问题,它不仅关系到混凝土结构维护与再建成本的控制,而且与环境保护和社会的可持续发展息息相关。氯离子侵蚀造成的混凝土结构的耐久性问题则是关注的重点,而其核心问题就是氯离子在混凝土中的输运机理。本文依托国家自然科学基会重点项目(50538070)、“863”计划课题(2006AA04Z422)及交通部西部交通建设科技项目(200631822302-06)等,以研究氯离子在混凝土中的输运机理为中心,就“非饱和状念下氯离子在混凝土中的输运模型”、“干湿交替区域中氯离子侵蚀分布规律”、“检测氯离子扩散系数的电场加速方法”以及“材料损伤对混凝土结构耐久性的影响”四个氯盐环境中混凝土结构耐久性研究的热点问题进行探讨,具体内容如下;(1)氯离子在混凝土中的输运过程实质上是带电粒子在多孔介质孔隙液中的传质过程;基于驱动因素作用机制的不同,可以将各种状态下混凝土中氯离子的输运过程分解为若干个子过程。本文基于电化学原理分析研究各种基础子过程的发生条件、作用机制、计算模型以及与其他基础过程的耦合关系,在此基础上建立了多机制作用下氯离子在混凝土中的输运模型,为系统研究各种复杂状态下的氯离子侵蚀分布规律奠定了基础。(2)干湿循环作用下氯离子在混凝土中的输运过程实质上是非饱和状态下混凝土中水分渗流和氯离子输运的耦合过程。本文考虑了水分扩散系数与孔隙中水分饱和度之间的非线性函数关系以及水分蒸发的迟滞效应,建立了水分在混凝土中的非线性扩散模型,并结合非饱和状态下氯离子扩散与对流过程之间的耦合关系建立了氯离子在非饱和状态下的输运模型;在此基础上,采用Crank-Nicolson格式实现了输运模型的计算;验证试验表明,该模型和试验检测结果之间具有良好的相关性。(3)氯离子在非饱和状态下输运模型的参数敏感度分析表明;混凝土内部孔隙的饱和度、混凝土表面蒸发速率以及干湿循环机制是影响非饱和状态下氯离子输运模型的主要因素。干湿交替区域中氯离子侵蚀随高程的分布规律取决于自不同高程处环境因素的变化规律。数值模拟结合实际检测的分析结果显示,随高程增加,氯离子侵蚀程度呈先加剧后缓解的趋势,在某一高程处氯离子侵蚀达到峰值,该区域应作为混凝土结构耐久性设计和维护的关键部位。为方便工程应用,本文提出了利用周期浸润时间确定侵蚀峰值以及其对应位置的简化计算方法。(4)通过电场加速离子迁移的方式,快速测定氯离子在混凝土中扩散系数的一系列方法实质上是描述氯离子浓度扩散与电迁移耦合的Nernst-Planck方程的应用。本文从机理上分析了各种快速测定氯离子扩散系数方法的优缺点,指出了试验过程中电渗效应所造成的离子对流问题需要受到充分重视,尤其对于高性能混凝土。在此基础上,针对非稳态电迁移法提出了考虑电渗效应的修正模型,并通过试验验证了修正的有效性。(5)裂缝是混凝土材料损伤加剧氯离子侵蚀的主要原因。横向裂缝影响氯离子输运模型的研究表明;裂缝宽度w是影响氯离子在混凝土中输运的重要因素,需要在规定保护层厚度c的情况下,采用w/c对裂缝宽度进行限制;裂缝频数是另一个影响氯离子输运的重要因素,增加裂缝频数对于内部混凝土中氯离子渗透的加剧作用大于表面处;当裂缝频数大于某一限值时,开裂混凝土将失去对钢筋的保护作用。此外,本文采用RCM试验方法研究了高温损伤所造成的细观裂缝对混凝土抵抗氯离子侵蚀性能的影响,给出了不同标号的混凝土在不同程度高温作用后的氯离子扩散系数以及细观裂缝自愈合所造成的恢复系数。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章绪论  9-25
  1.1 引言  9-10
  1.2 氯离子侵蚀——混凝土结构耐久性问题的首要因素  10-13
  1.3 氯盐环境中混凝土结构耐久性的研究进展  13-19
  1.4 基于研究现状的几点思考  19
  1.5 本文主要的研究内容  19-20
  参考文献  20-25
第二章氯离子在混凝土中的输运机理  25-41
  2.1 引言  25-26
  2.2 扩散过程  26-29
  2.3 对流过程  29-34
  2.4 电迁移过程  34-35
  2.5 结合效应对氯离子输运的影响  35-37
  2.6 多机制作用下的氯离子输运过程  37-38
  2.7 本章小结  38-39
  参考文献  39-41
第三章非饱和状态下氯离子的输运机理及计算模型  41-69
  3.1 引言  41-42
  3.2 非饱和状态下混凝土中氯离子输运的理论模型  42-48
  3.3 非饱和状态下混凝土中氯离子输运模型的数值解法  48-52
  3.4 模型试算  52-59
  3.5 模型参数敏感度分析  59-62
  3.6 试验验证  62-66
  3.7 本章小结  66-67
  参考文献  67-69
第四章干湿交替区域氯离子侵蚀分布规律  69-91
  4.1 引言  69-70
  4.2 影响干湿交替区域混凝土中氯离子侵蚀的主要因素  70-72
  4.3 干湿交替区域氯离子的侵蚀分布规律  72-77
  4.4 实际工程的检测与模型计算  77-89
  4.5 本章小结  89-90
  参考文献  90-91
第五章电场作用下的氯离子输运机理与应用  91-119
  5.1 引言  91-92
  5.2 电场作用下混凝土中氯离子电迁移的基础理论  92-94
  5.3 测定混凝土中氯离子扩散系数的试验方法  94-107
  5.4 电渗对电迁移试验结果的影响及其修正  107-112
  5.5 电化学脱盐技术的应用  112-115
  5.6 本章小结  115-116
  参考文献  116-119
第六章氯离子在混凝土损伤状态下的输运机理  119-135
  6.1 引言  119-120
  6.2 横向裂缝对氯离子输运的影响  120-126
  6.3 高温损伤对混凝土抵抗氯离子侵蚀性能的影响  126-132
  6.4 本章小结  132-133
  参考文献  133-135
第七章结论与展望  135-139
  7.1 本文主要的研究成果  135-137
  7.2 本文主要的创新点  137-138
  7.3 研究展望  138-139
作者就读研究生期间所发表(含录用)的学术论文  139-141
致谢  141-143

氯离子在混凝土中的输运机理研究

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