海洋混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴散實驗與邊界元研究.pdf

1、海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是氯離子侵入而導(dǎo)致的鋼筋腐蝕,研究氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律、建立氯離子的擴散模型是對海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和服役壽命進行分析和預(yù)測的關(guān)鍵。本文在實驗方面進行了高性能混凝土的氯離子一維擴散實驗和水泥砂漿的氯離子二維擴散實驗;在數(shù)值方面提出了混凝土中氯離子擴散場的補償長度理論,并在此基礎(chǔ)上分別研究建立了基于常擴散系數(shù)和時變擴散系數(shù)的氯離子一維和二維擴散分析的邊界元法;進而通過實驗研究和數(shù)值分析的結(jié)合,根據(jù)實

2、驗結(jié)果得到的氯離子擴散參數(shù)建立基于邊界元法的海洋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測模型,括此對海洋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命進行分析預(yù)測。
　　 本文主要的研究工作和結(jié)論有:
　　 (1)研究了從高性能混凝土中提取并準確測定自由氯離子和總氯離子的方法,即使用常溫下蒸餾水浸泡并振蕩24小時的方法提取高性能混凝土中自由氯離子,使用常溫下15％硝酸溶液浸泡振蕩24小時的方法提取高性能混凝土中總氯離子,對自由氯離子和總氯離子的濾液采用本文提出的改

3、進的佛爾哈德化學(xué)滴定法進行滴定,得到高性能混凝土樣品中的自由氯離子含量和總氯離子含量。
　　 (2)開展了高性能混凝土的氯離子一維擴散實驗,分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合摻加粉煤灰、硅灰和礦渣的高性能混凝土具有最佳的抗氯離子擴散能力,普通混凝土的抗氯離子擴散能力最差,對于單摻粉煤灰的高性能混凝土,隨粉煤灰摻量增加,混凝土的抗氯離子擴散能力增強,但當摻量在50％以上時,混凝土的抗氯離子擴散能力明顯下降。普通混凝土和粉煤灰高性能混凝土中的自由氯離子與

4、固化氯離子的關(guān)系符合Freundlich等溫方程,方程中系數(shù)α的值與混凝土材料的固化潛力有關(guān),系數(shù)β的值與混凝土材料的初始固化能力有關(guān),分析表明摻加粉煤灰后混凝土的初始固化能力和固化潛力降低。
　　 (3)首次設(shè)計并進行了人工海水環(huán)境下的水泥砂漿二維氯離子浸烘加速擴散實驗,獲取二維擴散后試塊內(nèi)部的氯離子濃度分布數(shù)據(jù),結(jié)果表明,兩個暴露面的交點及對角線附近的總氯離子濃度和自由氯離子濃度均明顯增加,說明氯離子會在混凝土結(jié)構(gòu)相鄰暴露面

5、的交匯處發(fā)生積聚。砂漿試塊中的自由氯離子與固化氯離子的關(guān)系均符合Freundlich等溫方程,擬合得到的砂漿試塊的Freundlich等溫方程中系數(shù)α和系數(shù)β的值均較小,且在擴散的不同時期其Freundlich等溫方程基本一致,說明試塊的固化能力只與實驗材料有關(guān)。
　　 (4)提出了混凝土中氯離子擴散場的補償長度理論,建立了補償長度表達式,并分別對常擴散系數(shù)和時變擴散系數(shù)下氯離子一維及二維擴散場補償長度系數(shù)的取值范圍進行了分析。

6、
　　 (5)提出了混凝土中氯離子擴散分析的邊界元法,建立了邊界元法計算格式,分析了在邊界元模型中擴散場補償長度系數(shù)的取值,并驗證了氯離子擴散場補償長度理論對于邊界元法的必要性以及補償長度系數(shù)取值的合理性,并通過算例證明了本論文中建立的基于常擴散系數(shù)的邊界元法具有較好的計算效率和較高的計算精度。
　　 (6)提出了基于時變擴散系數(shù)的氯離子擴散問題的邊界元法,推導(dǎo)出了基于時變擴散系數(shù)的邊界元法計算格式,分析了在時變擴散系數(shù)

7、下邊界元模型中擴散場補償長度系數(shù)的取值,并通過算例證明了時變擴散系數(shù)下的混凝土中氯離子擴散的邊界元法具有更強的適應(yīng)性和實用性,可以更好地分析和模擬實際情況下氯離子在混凝土中的擴散過程。
　　 (7)利用氯離子擴散實驗擬合得到的擴散參數(shù)建立邊界元模型對混凝土中的氯離子分布情況進行計算,其計算結(jié)果表明氯離子一維擴散和二維擴散的邊界元模型可以較好地應(yīng)用于實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子分布的計算和分析。
　　 (8)首次利用邊界元

8、法建立混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測模型,對海洋混凝土結(jié)構(gòu)在給定條件下的服役壽命進行分析和預(yù)測。結(jié)果表明,常擴散系數(shù)下,海洋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命主要取決于混凝土的氯離子擴散系數(shù);時變擴散系數(shù)下,海洋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命主要取決于混凝土的初始擴散系數(shù)和齡期衰減系數(shù)。處于氯離子二維擴散條件下的海洋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命與一維擴散條件下相比有明顯下降;通過增加混凝土的保護層厚度可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。基于常擴散系數(shù)和時變擴散系數(shù)邊界元法的海洋混