考虑粗骨料和钢筋共同作用的混凝土构件氯离子扩散试验研究

摘要

海洋环境下，由于氯盐侵蚀诱发钢筋混凝土材料性能劣化，钢筋锈蚀，最终导致结构承载力下降甚至失效破坏的现象屡见不鲜。氯离子在混凝土中的侵蚀过程现已成为混凝土结构耐久性评估问题中所关注的热点。对于氯盐侵蚀混凝土问题而言，现有研究成果中所得到的氯离子扩散模型大都忽略了粗骨料和钢筋共同作用的影响，并且也缺乏对界面过渡区氯离子扩散系数的系统研究。综上所述，本文针对钢筋混凝土复合材料中氯离子的扩散传输过程，通过物理试验和数值模拟相结合的手段来共同探讨混凝土中考虑粗骨料和钢筋共同作用对其内氯离子浓度分布和扩散特性的影响。结合试验数据，深度研究了界面过渡区氯离子扩散系数的变化规律。最终，基于钢筋混凝土三维球形随机骨料模型开展相应的数值模拟研究工作。本文的具体研究内容如下： 1、总结前人对混凝土中氯离子侵蚀机理的研究成果，整合、对比、分析各氯离子侵蚀模型之间的差异，并提出本文所选用的混凝土中氯离子扩散模型。 2、采用本课题组自主研发的人工海洋环境潮汐区自动化模拟装置来模拟实时的潮位涨落过程，基于此开展素混凝土试件中氯离子扩散试验研究，探讨粗骨料含量对混凝土中氯离子扩散特性的影响。通过引入粗骨料体积分数影响系数，建立可适用于工程实践的考虑粗骨料影响的混凝土中氯离子扩散预测模型。 3、基于上述人工海洋潮汐区模拟装置，进一步开展钢筋混凝土试件中氯离子扩散试验研究，研究粗骨料和钢筋共同作用对钢筋混凝土试件中氯离子浓度分布的影响。试验过程中，实测得到了钢筋混凝土试件在保护层区域内各取样点处的氯离子浓度以及钢筋前沿粗骨料的分布情况。经综合考虑钢筋的直接和间接阻滞效应，在上述素混凝土预测模型的基础上，经修正后得到了考虑粗骨料和钢筋共同作用的钢筋混凝土试件中钢筋前沿氯离子浓度预测模型。 4、通过对物理试验实测数据的深入分析，研究界面过渡区对混凝土中氯离子扩散特性的影响，定量探讨了粗骨料的稀释、曲折和界面过渡区效应对氯离子扩散系数的影响。文中通过引入同时考虑粗骨料体积分数和界面过渡区厚度的影响系数，建立了界面过渡区氯离子扩散系数的计算模型，为混凝土中氯离子扩散的细观数值模拟研究工作奠定基础。 5、根据上述物理试验结果所回归得到的重要参数，建立钢筋混凝土三维细观数值模型，通过数值模拟手段研究了与本文物理试验相同的素混凝土和钢筋混凝土试件中氯离子的浓度分布和扩散特性。并将细观数值模拟的评估结果与物理试验的实测数据相互对比，用以验证本文细观数值模拟方法的正确性与合理性。

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