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基于数值模拟和快速碳化实验的新混凝土防碳化研究

作　者: 孟卫涛
导　师: 武永新
学　校: 天津大学
专　业: 水利工程
关键词: 碳化仿真模拟 ANSYS热分析挡土墙
分类号: TU375
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

混凝土碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，进入二十一世纪以来，由于计算机技术的发展，混凝土结构的耐久性研究进入了一个崭新的阶段。碳化造成的混凝土结构碱度降低是引发钢筋锈蚀的主要原因，钢筋锈蚀一方面使自身受力截面减小，一方面造成混凝土结构保护层开裂、钢筋与混凝土的黏结力降低，从而影响混凝土结构的耐久性。CO₂在混凝土结构中的扩散是混凝土碳化反应过程的真实写照，混凝土结构的弱碱性和孔隙性是混凝土碳化反应过程得以进行的理论基础和物质条件。本文根据混凝土碳化反应过程机理，按照反应过程中碳元素质量守恒原来推导了混凝土碳化过程的控制方程，并利用有限元分析方法，对混凝土结构碳化过程控制方程做数值分析，分别计算了CO₂系数扩散矩阵、碳化反应矩阵和形函数矩阵，得到了有限元数值求解的基本方法。本文分析了碳化反应过程中CO₂的扩散与热传导过程中热量的传递的相似性，利用大型通用有限元分析软件ANSYS的热分析模块对挡土墙的混凝土碳化过程进行了数值模拟，并采用快速碳化实验进行了对比分析。另外，对影响CO₂扩散速度和混凝土碳化反应速度的温度、湿度、CO₂浓度及承载力等因素做了敏感性分析。本文对新混凝土表面覆盖和调整配合比两种防碳化方法进行实验研究，并利用混凝土碳化过程的仿真模拟方法对采用表面覆盖防碳化方法的新混凝土进行仿真模拟，获得了该情况下混凝土碳化反应的规律。本文工作表明，通过对混凝土碳化过程控制方程的理论研究和对CO₂在混凝土中扩散的数值分析，能够实现对新混凝土碳化过程的仿真模拟，对混凝土结构耐久性的研究提供了重要的补充。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章综述  8-14
  1.1 研究背景及问题的提出  8-9
  1.2 混凝土碳化及防碳化技术研究现状  9-12
    1.2.1 混凝土碳化规律  10
    1.2.2 混凝土碳化影响因素  10-11
    1.2.3 混凝土碳化深度预测  11-12
    1.2.4 混凝土防碳化研究  12
  1.3 混凝土碳化过程数值模拟  12-13
  1.4 本文研究主要内容  13-14
第二章混凝土碳化机理和数值计算  14-27
  2.1 混凝土碳化机理和碳化过程分析  14-16
  2.2 混凝土碳化影响因素  16-18
    2.2.1 材料因素  16-17
    2.2.2 施工因素  17-18
    2.2.3 环境因素  18
    2.2.4 应力状况  18
  2.3 混凝土碳化深度预测模型  18-21
    2.3.1 理论模型  19-20
    2.3.2 实验模型  20-21
  2.4 碳化过程控制方程数值求解  21-26
    2.4.1 控制方程及边界条件  21-22
    2.4.2 微分方程的泛函分析  22
    2.4.3 单元划分及极值求解  22-25
    2.4.4 矩阵方程的数值化  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章混凝土碳化过程有限元分析  27-32
  3.1 有限元简介  27
  3.2 ANSYS软件简介  27-28
  3.3 ANSYS热分析模块简介  28-30
    3.3.1 ANSYS热分析的理论基础  28-29
    3.3.2 ANSYS稳态传热分析  29
    3.3.3 ANSYS瞬态传热分析  29
    3.3.4 热分析单元  29-30
    3.3.5 热分析一般步骤  30
    3.3.6 APDL语言  30
  3.4 混凝土碳化与热传导问题的相似性分析  30-31
  3.5 本章小结  31-32
第四章挡土墙混凝土碳化过程数值模拟  32-50
  4.1 挡墙模型建立  32-36
    4.1.1 建立模型  32-33
    4.1.2 参数取值  33-36
  4.2 挡土墙CO_2浓度分布规律  36-39
  4.3 快速碳化实验数据校核  39-40
  4.4 参数敏感性分析  40-43
    4.4.1 温度影响分析  40-41
    4.4.2 湿度影响分析  41
    4.4.3 CO_2 浓度的影响分析  41-42
    4.4.4 承载力的影响分析  42-43
  4.5 防碳化材料下混凝土碳化深度分析  43-49
    4.5.1 表面覆盖混凝土数值模拟  44-48
    4.5.2 延迟碳化系数  48-49
  4.6 本章小结  49-50
第五章混凝土防碳化实验研究  50-58
  5.1 碳化混凝土材料性质及力学性能研究现状  50-51
    5.1.1 碳化混凝土抗压性能  50
    5.1.2 碳化混凝土抗拉性能  50-51
    5.1.3 碳化混凝土与新混凝土的黏结  51
    5.1.4 碳化混凝土的抗渗性  51
  5.2 混凝土防碳化研究现状  51-53
    5.2.1 表面覆盖法  52
    5.2.2 改善配合比法  52
    5.2.3 碳化混凝土修补  52-53
    5.2.4 碳化混凝土的再碱化  53
  5.3 新混凝土防碳化技术实验研究  53-58
    5.3.1 表面覆盖新混凝土防碳化实验研究  54-56
    5.3.2 改善配合比法新混凝土防碳化实验研究  56-58
第六章结语与展望  58-60
参考文献  60-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

基于数值模拟和快速碳化实验的新混凝土防碳化研究

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