混凝土中氯离子双时变扩散过程解析与混凝土结构耐久性定量设计

摘要

在氯化物环境中，氯离子通过扩散作用侵入混凝土内部造成的钢筋锈蚀和混凝土保护层开裂剥落等耐久性退化现象，是导致钢筋混凝土结构难以满足预定设计使用年限的重要原因之一。因此，准确分析混凝土中氯离子的扩散过程，并建立相应的解析模型，是氯化物环境下混凝土结构耐久性分析与设计的重要前提。分析表明，氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性对氯离子的扩散过程具有重要影响。同时，混凝土结构的几何外形也会影响混凝土中氯离子的扩散过程和积聚规律。然而，现有的氯离子扩散解析模型无法综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性以及混凝土结构几何外形等因素的影响，导致难以合理描述混凝土中氯离子的扩散过程，计算精度和适用性有限。鉴于此，本文综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性及混凝土结构几何外形对氯离子扩散过程的影响，分别建立了矩形和圆形截面混凝土中氯离子双时变扩散的解析模型，在此基础上提出了混凝土结构的耐久性定量设计方法。主要研究内容包括:
　　(1)综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性，基于三维正交直角坐标系下的Fick第二定律扩散方程，结合变量代换法和杜哈梅尔定理，建立了矩形截面混凝土中氯离子双时变扩散的解析模型，从而克服了现有解析模型无法综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性以及氯离子扩散维数等因素影响所存在的缺陷。通过与数值分析结果和现场实测数据的对比分析，验证了该解析模型的有效性和适用性。分析结果表明:氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性对混凝土中氯离子浓度的分布规律具有显著影响;所建立的双时变解析模型不限定混凝土表面氯离子浓度的时变函数形式，具有适用性强、计算精度高等优点。
　　(2)基于三维柱坐标系下的Fick第二定律扩散模型，综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性，结合变量代换、杜哈梅尔定理和变量分离法，建立了圆形截面混凝土中氯离子的二维和三维双时变扩散解析模型，并通过与数值分析结果进行对比，验证了该解析模型的有效性。分析结果表明，该解析模型不限定混凝土表面氯离子浓度的时变函数形式，计算精度较高，适用性较强，为圆形截面混凝土中氯离子的二维和三维扩散过程分析提供了有效途径。
　　(3)基于所建立的混凝土中氯离子双时变扩散的解析模型，结合氯离子扩散场补偿长度理论和混凝土结构的耐久性控制区模型，确定了混凝土结构耐久性设计参数与设计使用年限、钢筋脱钝的临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度、混凝土保护层厚度等参数之间的量化关系，提出了海洋氯化物环境下混凝土结构的耐久性定量设计方法。通过与传统的耐久性设计方法对比，验证了该方法的有效性和适用性，从而解决了传统耐久性设计方法缺乏定量的耐久性设计模型，无法定量计算确定耐久性设计参数所存在的缺陷。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 混凝土中氯离子扩散解析模型的研究现状

1．2．1 氯离子的经典扩散解析模型

1．2．2 氯离子的时变扩散解析模型

1．2．3 考虑扩散维数和几何外形影响的氯离子扩散解析模型

1．3 氯化物环境下混凝土结构的耐久性分析与设计研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 主要研究内容及技术路线

1．5 主要创新点

2．1 引言

2．2 混凝土中氯离子扩散分析的经典方程

2．3 氯离子扩散经典方程的适用性分析

2．3．1 氯离子的扩散维数及混凝土几何形状的影响

2．3．2 氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性的影响

2．3．3 氯离子结合效应的影响

2．4 小结

第三章 矩形截面混凝土中氯离子双时变扩散的解析模型

3．1 引言

3．2 矩形截面混凝土中氯离子的扩散模型

3．2．1 矩形截面混凝土中氯离子扩散的控制方程和边界条件

3．2．2 矩形截面混凝土中氯离子的常扩散解析模型

3．2．3 矩形截面混凝土中氯离子的双时变扩散解析模型

3．3 有效性和适用性分析

3．3．1 有效性的验证分析

3．3．2 适用性的验证分析

3．4 小结

第四章 圆形截面混凝土中氯离子双时变扩散的解析模型

4．1 引言

4．2 圆形截面混凝土中氯离子的扩散模型

4．2．1 圆形截面混凝土中氯离子扩散的控制方程和边界条件

4．2．2 圆形截面混凝土中氯离子的常扩散解析模型

4．2．3 圆形截面混凝土中氯离子的双时变扩散解析模型

4．3 有效性和适用性验证分析

4．4 小结

第五章 基于氯离子双时变扩散解析模型的混凝土结构耐久性定量设计方法

5．1 引言

5．2 混凝土结构的耐久性控制区

5．2．1 考虑D和Cs时变的扩散场计算长度

5．2．2 扩散场计算长度公式的有效性验证

5．2．3 D和Cs双时变下的混凝土结构耐久性控制区

5．3 混凝土结构的耐久性定量设计方法

5．3．1 海洋氯化物环境作用的量化模型

5．3．2 混凝土结构的耐久性分析模型

5．3．3 混凝土结构耐久性定量设计的三参数模型

5．4 工程实例分析

5．4．1 工程概况

5．4．2 环境条件划分及环境作用量化

5．4．3 耐久性分析的基本参数

5．4．4 混凝土结构的耐久性控制区

5．4．5 耐久性设计参数的确定

5．4．6 有效性验证及耐久性设计参数的优选

5．5 小结

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读学位期间发明软件申请情况

攻读硕士学位期间参与的科研项目