混凝土結構碳化和氯鹽侵蝕耦合的精細化分析與試驗研究.pdf

1、混凝土碳化和氯離子侵蝕是混凝土耐久性研究的兩個重點和熱點問題。二氧化碳進入到混凝土中與混凝土中的水化物發(fā)生中和反應降低混凝土pH值，當混凝土的pH值小于9時，鋼筋表面的鈍化膜將逐漸被破壞。氯離子侵入到混凝土內(nèi)部，當混凝土孔隙液中的氯離子濃度達到閥值時，即使混凝土pH值大于11.5氯離子也能破壞鋼筋表面鈍化膜。同時，氯離子的穿透能力很強，能夠穿過氧化膜與鋼筋反應，形成坑蝕現(xiàn)象。關于混凝土碳化和氯離子侵蝕耦合侵蝕作用，目前并沒有一致的研究結

2、論，大都從試驗角度直接或間接的說明他們相互耦合的作用。已有的試驗研究表明，混凝土碳化和氯離子侵蝕耦合作用下要比單一侵蝕的破壞作用更大。本文從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，根據(jù)前人的試驗和相關理論，基于商業(yè)軟件ABAQUS二次開發(fā)和自行開發(fā)編寫MATLAB有限元代碼兩個方面去預測混凝土碳化和氯離子侵蝕的深度，并與相關試驗進行對比驗證。本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)從混凝土中各組成成分的碳化反應化學動力平衡出發(fā)，根據(jù)化學反應過程中的

3、質(zhì)量平衡，建立各組成成分碳化過程二維偏微分方程組，并將各組成成分形成的偏微分方程組應用MATLAB編寫二維有限元代碼求解。同時，引入混凝土多尺度微觀模型（“數(shù)值混凝土”模型），實現(xiàn)考慮骨料尺度效應的混凝土碳化過程中多種物質(zhì)耦合反應作用。
　　(2)對商業(yè)軟件ABAQUS進行二次開發(fā)，利用其子程序接口UMATHT，實現(xiàn)了二氧化碳進入混凝土內(nèi)部進行碳化反應時的擴散反應過程模擬，并得到了較好的預測結果。同時也完成了應用PYTHON在AB

4、AQUS中建立“數(shù)值混凝土”模型的代碼和算法。
　　(3)在參考以往學者進行的大量試驗和擬合的相關公式的基礎上，建立了單一氯離子侵蝕混凝土的數(shù)學模型，并應用MATLAB編寫有限元代碼進行求解。同時，進行了一維氯離子侵蝕的驗證性試驗，試驗測了不同水灰比試塊在氯離子溶液中浸泡60天后自由氯離子、吸附氯離子和總的氯離子濃度隨不同深度的變化曲線，以及不同水灰比下的pH值隨侵蝕深度的變化曲線。最后，在修正氯離子侵蝕模型的基礎上引入了碳化影響