基于混凝土三维球形随机骨料模型的氯离子扩散细观数值模拟

当前对于海洋环境下混凝土结构中氯离子的扩散问题的数值模拟研究大多停留在宏观层面,没有考虑混凝土细观结构的影响。针对这一问题,建立了混凝土三维球形随机骨料细观模型,并基于该模型提出了混凝土中氯离子扩散细观数值模拟方法。混凝土三维球形随机骨料模型以随机过程理论为依据,考虑了骨料粒径大小和位置分布的随机性,更接近实际情况;基于该模型的氯离子扩散细观数值模拟方法能够从细观层面反应混凝土中氯离子扩散规律,可以作为混凝土中氯离子扩散研究的重要手段。在此基础上研究了混凝土细观结构对氯离子扩散的影响,结果表明:界面过渡区厚度和扩散系数越大时,经扩散进入混凝土中的总体氯离子含量越多,但混凝土浅层区域内的氯离子含量越少;随着粗骨料体积分数的增加,混凝土中相同深度处的氯离子浓度降低。     

考虑荷载作用效应的混凝土中氯离子扩散细观数值模拟

混凝土结构在海洋环境中不只遭受氯离子的侵蚀,并且还承受荷载作用。文章将混凝土看作由固化水泥砂浆、界面过渡区与碎石粗骨料构成的三相复合材料,认为氯离子传输扩散行为只发生在固化水泥砂浆和界面过渡区中;基于荷载作用使混凝土孔隙率发生变化、孔隙率变化导致氯离子扩散系数变化的假设,提出了考虑荷载作用效应的混凝土中氯离子扩散系数模型,并用物理试验实测值对细观数值模型进行了验证。通过对受荷简支梁氯离子扩散细观数值模拟,分析了荷载水平对氯离子扩散规律的影响,为研究荷载作用下混凝土内氯离子扩散特性提供了一种有效手段。     

基于随机骨料模型的混凝土劈拉破坏数值模拟

从三级配混凝土细观尺度出发,将其看成由骨料、界面、砂浆组成的三相复合材料,通过自编程序建立混凝土随机骨料模型进行劈裂抗拉力学性能研究.利用有限元技术数值模拟混凝土劈裂试件的损伤断裂,讨论了不同骨料分布、骨料形状对劈裂抗拉强度的影响.结果表明：不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度稍有影响,但数值模拟结果与试验结果基本吻合.     

疏浚泥陶粒公路混凝土细观模拟研究

疏浚泥陶粒混合骨料混凝土在公路工程中已经获得成功应用。为了明晰疏浚泥陶粒混凝土的破损机理,探讨混合骨料混凝土配比规律,本文建立了力学性能细观研究方法。在细观层次上,将疏浚泥陶粒、疏浚泥陶粒界面、碎石、碎石界面、水泥石看成五相,建立随机骨料模型的平面模型,构建混凝土的二维抗折试件细观模型,研究其裂缝破损机理。研究表明,对于低标号混凝土而言,混合骨料混凝土具有很好的性能,对于高标号混凝土,陶粒自身的性能对混凝土的破坏规律具有重要影响。     

ABAQUS在混凝土中氯离子时变扩散中的应用

为验证ABAQUS有限元软件在混凝土中氯离子时变扩散分析的可行性,对已有试验采用ABAQUS有限元程序进行分析,并通过编写USDFLD子程序考虑扩散系数、表面氯离子浓度随时间变化的影响。同时也对有限元分析中的单元尺寸、模型尺寸进行了讨论。分析结果表明,ABAQUS有限元分析能很好地拟合试验数据;ABAQUS内置的Mass Diffusion(MD)模块可以较好地模拟不考虑时变效应时的氯离子扩散情况,而利用USDFLD子程序可以进一步地考虑扩散系数及表面氯离子浓度的时变影响。研究的有限元模型中,单元尺寸小于扩散方向长度的5%时,可以达到较高的精度水平;不同厚度的模型之间的氯离子扩散存在着差异。     

基于现场取样试验的混凝土结构寿命预测*

在役码头钢筋混凝土结构耐久性寿命预测面临可供分析参数少、契合度不高、预测结果存疑等问题，通过现场取样试验，获取混凝土芯样氯离子浓度分布值，基于修正的氯离子扩散模型，利用Matlab软件进行回归分析，得到试件的氯离子扩散系数、衰减系数和表面氯离子浓度等参数，并对在役码头胸墙钢筋混凝土结构耐久性寿命进行预测。结果表明：参数定值法预测结果过大，而基于失效概率预测方法的预测结果与规范方法计算结果基本一致，更符合工程实际。     

大坝混凝土二维随机骨料的数值模拟

为了在细观层次上对大坝混凝土进行数值模拟,进而从机理上认识其力学性能和宏观实验现象,利用MATLAB脚本编程自动生成大坝混凝土二维细观几何模型,然后将圆形、凸多边形两种剖面形状的随机骨料细观几何模型导入ANSYS有限元软件进行网格剖分。最后分别使用三级配和四级配大坝混凝土算例进行验证。结果表明：此方法所建的随机骨料模型能够很好的模拟天然骨料和人工骨料而且原理简单、快捷、高效,为进一步对大坝混凝土细观力学数值研究奠定基础。     

基于氯离子分布的氯离子渗透参数计算的新方法

根据混凝土中氯离子的分布对氯离子侵入性能进行评价时,混凝土粉末样品的采集,氯离子含量的测试和表达方式,均可对评价结果产生影响。在干湿循环条件下,以理论上的表面氯离子浓度为主要评价参数对氯离子的渗透性能进行评价的方法不尽合理。通过对暴露26年后的青岛北海船厂码头中大量的混凝土芯样中氯离子分布的分析和计算,结合其它文献中氯离子分布的数据,提出了以扩散区与对流区界面为扩散表面,以界面处的氯离子浓度为扩散表面浓度,评价氯离子侵入性能和进行寿命预测的方法。     

混凝土双轴力学性能的细观数值模拟

目前混凝土和钢筋混凝土建筑物多是以单轴强度为标准设计的,但实际上,大多数建筑物均处于多轴应力状态.文中从细观层次上分析了混凝土的内部结构,对混凝土试块在双轴应力作用下的力学特性进行了较为全面的随机骨料模型数值模拟.试验成果表明,试件的双轴强度与单轴强度相比有显著区别,而且与应力比有很大的关系,混凝土的非均质性表现的更为突出.通过模拟试件在双轴应力作用下的强度包络图可以看出,常规混凝土的薄弱环节是骨料与砂浆基质之间的粘结面,裂纹沿界面扩展并最终导致试件的破坏,这与室内实验所得结果是相似的,试件的破坏形态也基本与实验中观察到的一致.因此在结构设计中如果考虑到这些情况,则可以避免浪费材料或者受力考虑不足造成结构处于危险状态.     

恒定荷载对海工高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响

通常混凝土构件均处于受力状态,而对自由状态的混凝土试件开展耐久性研究很难真实地反映出混凝土构件的耐久性状况。本研究采用施加恒定压荷载和弯曲荷载的方式,研究荷载对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。结果表明:混凝土试件纯受弯段的氯离子浓度随弯曲应力水平的提高而增大,且混凝土内的氯离子渗透深度随应力水平的增加而增大。试件距暴露面相同深度处的氯离子浓度随着压应力水平的提高先减少后增大。混凝土试件的氯离子扩散系数随压应力水平提高而先减少后增大,压应力水平较低时可提高混凝土的抗氯离子渗透性能。对于典型的海洋工程高性能混凝土配合比,混凝土试件的弯曲应力与其恒定荷载影响因子之间呈近似指数函数关系,在混凝土结构耐久性设计中应考虑弯曲荷载对氯离子扩散系数的影响。     

Chloride diffusion models for Type I and fly ash cement concrete exposed to field and laboratory conditions

The exposure temperature significantly affects the diffusion of chloride ions in concrete, and, as such, it must be taken into consideration in the development of service-life prediction models for structures exposed to chloride-bearing environments. Most of the earlier studies have used cement paste to assess the effect of exposure temperature on chloride diffusion. In the reported study, chloride diffusion in Type I and fly ash (20% fly ash) cement concrete was evaluated under field and laboratory conditions. The laboratory concrete specimens were exposed to chloride solution maintained at four temperatures (22, 35, 50 and 60 °C) for 365 days. Beam specimens were exposed in the tidal zone of a marine exposure site, along the Arabian Gulf coast, for up to 10 years to study the chloride diffusion in the field specimens. The coefficient of chloride diffusion (D_a) in the concrete specimens exposed to 22 or 35 ᵒC in the laboratory was less than that in the concrete specimens exposed to 50 and 60 ᵒC. The D_a for Type I cement concrete specimens increased by 3.6 times as the temperature was increased from 22 to 60 ᵒC while this increase was 2.3 times for the fly ash cement concrete specimens for a similar increase in the temperature. The D_a decreased with the period of exposure in the field specimens. The values of activation energy that can be used for predicting the chloride diffusion for exposure temperature within the range of 22–60 °C were developed based on the laboratory data. In addition, mathematical models were developed relating the coefficient of chloride diffusion in the field and laboratory concrete specimens. The developed models can be utilized to ascertain chloride diffusion in field specimens, utilizing the laboratory values, and hence calculate the useful service-life of structures.     

硅烷防护对混凝土抗氯离子渗透性的影响

通过室内快速试验和实海暴露试验,研究硅烷防护对混凝土氯离子渗透性的影响。研究表明:硅烷浸渍层能够有效降低氯离子对混凝土的侵蚀,减小混凝土氯离子扩散系数和表面氯离子浓度,其中氯离子扩散系数降低幅度在50%以上,可显著提高混凝土结构使用寿命;且硅烷浸渍层能够减小处于干湿交替区域混凝土结构"对流层"的深度。     

基于海洋暴露试验的氯离子扩散系数时空模型研究

在我国腐蚀条件最为恶劣的海南八所港,对3种配合比的混凝土试件进行实海暴露试验,通过测定浪溅区条件下氯离子在混凝土中侵入量,研究氯离子有效扩散系数随时间和深度的演变,为准确预测混凝土结构的使用寿命提供参考。     

混凝土成熟度和氯离子扩散系数的相关性及在某工程中的应用

采用化学结合水法、氯离子快速测定法（RCM法）和混凝土成熟度测定法研究了56 d龄期内混凝土氯离子扩散系数和混凝土成熟度的关系。结果表明：混凝土氯离子扩散系数不仅随养护龄期的延长而降低,还随养护温度的升高而降低,延长养护龄期或提高养护温度均可提高胶凝材料的水化程度;室内养护混凝土试件的氯离子扩散系数与混凝土成熟度值之间呈幂函数关系,二者具有很好的相关性（R2=0.976）,利用室外养护混凝土试件的数据进行验证计算,其理论计算值与实测值具有较好的吻合性,可根据混凝土成熟度实测值预测出混凝土的氯离子扩散系数;在本工程中,沉管隧道接触海水时混凝土成熟度的推荐值为21064℃·h,控制边界值为13926℃·h,考虑外部养护温度和水化热对混凝土成熟度产生影响时,可对混凝土接触海水的龄期通过后计算进行适当的调整。     

码头混凝土中的氯离子侵入研究

对码头的不同构件钻取了一批混凝土芯样,测量了其中CaCO3的含量和氯离子分布,分析了局部环境对碳化和氯离子分布的影响。试验结果表明,在极度潮湿环境下混凝土碳化进展缓慢,且碳化区域以未完全碳化区为主导,混凝土碳化的深度最终趋于一个极限值。局部环境可导致混凝土中氯离子分布发生较大变化,在混凝土表层氯离子侵入方式复杂,可形成一个氯离子含量平稳区段,只有在一定深度内才符合扩散机理。     

大管桩现场取样分析与耐久性研究

采用现场取样与室内化学分析相结合的方法,研究海洋环境下大管桩的耐久性能。通过对深圳、连云港和宁波3个地区服役1~17 a的大管桩展开耐久性调查,同时在潮差区和浪溅区的桩身混凝土钻芯取样,采用化学分析的方法测试不同深度混凝土中的氯离子含量,计算混凝土氯离子扩散系数,进而经统计分析得出桩身混凝土的腐蚀参数。通过对比研究桩身混凝土与桩帽节点混凝土的抗氯离子渗透性能的差异,研究裂缝对氯离子渗透的影响及大管桩接头处FRP包覆层对接头耐久性的影响。取样研究过程中未发现任何箍筋和主筋锈蚀的现象,服役10~15 a的大管桩箍筋表面氯离子浓度在0.1%~0.2%,箍筋表面光洁如新。     

Sensitivity study on durability variables of marine concrete structures

In order to study the influence of parameters on durability of marine concrete structures, the parameter’s sensitivity analysis was studied in this paper. With the Fick’s 2nd law of diffusion and the deterministic sensitivity analysis method (DSA), the sensitivity factors of apparent surface chloride content, apparent chloride diffusion coefficient and its time dependent attenuation factor were analyzed. The results of the analysis show that the impact of design variables on concrete durability was different. The values of sensitivity factor of chloride diffusion coefficient and its time dependent attenuation factor were higher than others. Relative less error in chloride diffusion coefficient and its time dependent attenuation coefficient induces a bigger error in concrete durability design and life prediction. According to probability sensitivity analysis (PSA), the influence of mean value and variance of concrete durability design variables on the durability failure probability was studied. The results of the study provide quantitative measures of the importance of concrete durability design and life prediction variables. It was concluded that the chloride diffusion coefficient and its time dependent attenuation factor have more influence on the reliability of marine concrete structural durability. In durability design and life prediction of marine concrete structures, it was very important to reduce the measure and statistic error of durability design variables.     

氯盐与冻融共同作用下引气高性能混凝土氯离子渗透性

通过引气高性能混凝土在3%NaCl溶液中自然浸泡及盐水快速冻融试验,测试了不同冻融次数后混凝土中氯离子含量分布和相对动弹性模量的变化;利用损伤力学原理,研究了冻融损伤与氯离子扩散系数、冻融循环次数的关系。研究表明：冻融循环导致混凝土性能劣化,增大了混凝土氯离子扩散系数,当冻融300次时混凝土的冻融损伤度为5%,氯离子扩散系数增大了1倍;混凝土冻融损伤度与氯离子扩散系数、冻融循环次数之间均符合指数关系。