非饱和混凝土中氯离子传输机理.pdf
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1、弟 l 9卷 弟 1别 2 0 1 6年 2月 建筑材料 J 0URNAL 0F B UI LDI NG 学 报 M ATERI ALS Vo I 19, NO 1 Fe b , 2 0 1 6 文章编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 - 0 0 4 5 0 8 非饱和混凝土 中氯离子传 输机 理 贾立哲 , 张英姿 , 王开 源, 徐 ( 哈尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙江 田欣 , 段 一 鸣 哈尔 滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要 : 基 于 F i c k第一定律和质量守恒定律 , 在水的质量守恒方程 中考虑对流作用引起 的水的改变 量
2、, 建立 了扩散 和 对 流完全 耦合 的 非饱 和 状 态 混凝 土 中的 氯 离子 传 输 理 论模 型 ; 采 用 交替 方 向隐 式有 限差 分 法( AD 1 ) 对 传 输控 制方 程进行 数 值 求解 , 与 Ab a b n e h等提 出的氯 离子 传输 理 论模 型 以 及 美国道路 与 运输 协会 的试 验数 据进 行 了对 比 另外 , 基 于物质 守恒定律 , 通 过 定 义容 量矩 阵 、 传 递 矩阵和氯 离子通过率向量, 并与瞬态热平衡方程 中的各参量进行等效, 给出了基于 ANs Ys热分析 模块模拟非饱和状 态混凝 土中氯 离子传输的数值方法 结果表明, 所
3、提 出的非饱和状态混凝土 中氯 离子传 输理 论模 型 与 美 国道路 与 运输 协会 的试 验数 据之 间的 吻合程 度要 比 Ab a b n e h模 型 更好 , 但 2种 传输 理论 模 型与试 验数 据之 间的差距 都 非 常 小 因此 , 考 虑对 流作 用 引起 的水 的 改 变量 对 于 实 际工程 不会 起 到太 大影 响 , 但 能 更好 地 与 氯 离子 传 输 的物 理 过程 相 吻合 , 有 助 于 完善 非饱 和 状 态 混凝 土 中氯 离子 传 输 的理论 体 系 基 于 ANS YS的 非饱 和 状 态混凝 土 中氯 离子 传 输 模 拟 方 法 的精 度不如
4、氯 离子传输理论模型 高, 但计算代价较小 , 适用于实际工程 关 键词 :非饱 和 混凝 土 ;氯 离子传 输 ;数值 模 拟 中图分 类 号 : TU3 7 5 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 0 8 Tr a n s p o r t M e c ha ni s m o f Chl o r i d e i n No n s a t u r a t e d Co nc r e t e JI A Li z h e, ZHANG Yi n g z i, WANG Ka i y u a
5、n, XU Ti a n x i n, DUAN Yi mi n g ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ,Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y,Ha r b i n 1 5 0 0 9 0 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Co ns i de r i ng t he c ha n ge o f wa t e r ma s s by c o nve c t i on i n wa t e r ma s s c o n s e r v a t i
6、 o n e q ua t i o n,a ne w c h l o r i d e t r a n s p o r t mo d e l wa s d e v e l o p e d b a s e d o n F i c k S f i r s t l a w a n d ma s s c o n s e r v a t i o n 1 a w Th e s o l u t i o n o f t h i s n e w c h l o r i d e t r a n s p o r t e q u a t i o n wa s d e r i v e d b y a l t e r n
7、a t i n g d i r e c t i o n i mp l i c i t( ADI )f i n i t e d i f f e r e n c e me t h o d a n d t h e r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h c h l o r i d e t r a n s p o r t mo d e l b y Ab a b n e h a n d e x p e r i me n t a l d a t a o f Ame r i c a n As s o c i a t i o n o f Ro a d s a n d
8、 Tr a n s p o r t Ca p a c i t y ma t r i x,t r a n s f e r ma t r i x a n d c h l o r i d e p a s s i n g r a t e v e c t o r a r e a s s o c i a t e d wi t h v a r i a b l e s i n t r a n s i e n t h e a t b a l a n c e e q u a t i o n,a n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d b y ANSYS t h
9、e r m a l a na l ys i s m o du l e f o r c h l o r i d e t r a ns po r t i n no ns a t u r a t e d c o nc r e t e i S d e r i v e d b a s e d on m a s s c o n s e r v a t i o n l a w,a n d t h e r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h t h e n e w c h l o r i d e t r a n s p o r t mo d e 1 a n d e
10、x p e r i me n t a l d a t a The r e s u l t s i nd i c a t e t ha t t h e n e w c hl or i d e t r a ns po r t mod e l i S mor e c o ns i s t e nt wi t h e xp e r i m e nt a l d a t a o f Ame r i c a n As s o c i a t i o n o f Ro a d s a n d Tr a n s p o r t t h a n Ab a b n e h mo d e 1 Th e d i f
11、f e r e n c e o f d i f f e r e n t mo d e l s i s v e r y s ma l l ,a n d c o n s i d e r i n g t h e c h a n g e o f wa t e r ma s s b y c o n v e c t i o n g i v e s a l i t t l e i n f l u e n c e o n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g Th e mo d e l o f c o n s i d e r i n g t h e c h a n g
12、 e o f wa t e r ma s s b y c o n v e c t i o n i s mo r e c o n s i s t e n t wi t h c h l o r i d e t r a n s p o r t p r o c e s s i n n o n s a t u r a t e d c o n c r e t e ,a n d c a n i mp r o v e t h e t h e o r e t i c a l s y s t e m o f c h l o r i d e 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 1 5 ;修订 日期 : 2 0
13、1 4 0 9 1 5 基金项 目: 国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 0 ) ; 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 0 8 1 6 6 ) ; 山东省 自然科学基金 资 助项 目( Z R 2 0 1 l E EQ0 2 8 ) 第一作者 : 贾立哲 ( 1 9 7 8 一) , 男 , 吉林长春人 , 哈尔滨工业大学副教授 , 硕士生导师 , 博士 E - ma i l : j i a l i z h e h i t e d u a n 通信作者 : 张英姿 ( 1 9 7 9 ) , 女 , 山东诸城人 , 哈
14、尔滨工业大学副教授 , 硕 士生导师 , 博 士 E ma i l : z h y z h i t a l i y u n c o m 4 6 建筑材料学报 第 1 9卷 t r a ns p or t i n no ns a t u r a t e d c on c r e t e Th e n um e r i c a l s i mul a t i o n m e t h o d b a s e d o n AN SYS i s l e s s a c c u r a c y t h a n t he t he or e t i c a l mod e l but i t s mor e
15、 c onv e ni e nt f o r a pp l i c a t i o n i n e ng i ne e r i n g pr a c t i c e Ke y wo r d s :n o n s a t u r a t e d c o n c r e t e ;c h l o r i d e t r a n s p o r t ;n u me r i c a l s i mu l a t i o n 滨海环境中混凝土结构处于水分饱和与完全干 燥之间的非饱和状态 , 氯离子主要 借助扩散和对流 的耦合作用 向混凝土 内部传输 扩散指的是溶液 中 的氯离子借助浓度梯度进行的定 向迁
16、移 , 而对流则 指的是混凝土 中的孔隙溶液带着氯离子顺着 内部孔 隙向混凝土深处侵入 的现象 扩散作用和对 流作用 均不是单独发生 的, 实 际上氯离子是凭借二者之 间 的耦合作用进行传输 的, 从而导致钢筋过快锈蚀而 丧失结构耐久性 , 造成巨大的经济损失 对 于非饱 和混凝土中氯离子 的传输 问题 , 部分学者使 用广 泛 应用于饱和混凝土的 F i c k第二定律进行研究 ; 也 有学者将扩散和对流分开考虑 , 认为氯离子在混凝 土表层一定深度处通过对流进行传输 , 超过这一深 度则以扩散 的形式传输 2 这些研究工作均未 能如 实考虑非饱和混凝土 的氯离子传输过程 中扩散和对 流作用
17、之间的耦 合效应 为了考虑扩散和对流之间 的耦合作用 , Ab a b n e h等I 3 在 Xi 等I 4 提出的饱和混 凝土中氯离子传输模 型的基础上 , 采用质量守恒定 律和 F i c k第一定律 , 在氯离子 的质量守恒方程 中考 虑对流作用产生的影响, 建立了氯离子在非饱和混 凝 土 中 的传 输模 型 ( 以下 简称 为 Ab a b n e h模 型) , 但 在水的质量守恒方程中忽略了对流作用引起的水的 改变量 S u wi t o等 在 F i c k第一定律方程 中认为氯 离子或者水 的扩散通量与该截面处的氯离子浓度梯 度 以及水的浓度梯度总和成正 比, 而质量方程仍仅
18、 含 由扩散作用引起的水的改变量 , 将 Ab a b n e h模型 中不能满足质量守恒 的问题归结 到 F i c k第一定律 中去解 决 , 导 致质 量守 恒仍然 无 法满 足 此外 , 氯离子传输模型虽具有精度较高的优点 , 但 所 涉及 的参 数 如 水 分 扩 散 系数 、 孔 隙 液体 积 等 在 实 际工程中较难获得 , 且该方法不能考虑钢筋混凝 土结构 中钢筋的影响 因此 , 发展基于大型软件 的面 向实际工程 的氯离子传输过程的数值模 拟方法十分 必要 王显利 6 利用 ANS YS建 立 了饱和状 态混凝 土梁的氯离子传输模型 , 模拟混凝土梁 在单 向和多 向界遭受氯
19、离子侵蚀时 内部氯离子浓度分布 赵翔 宇_ 7 基于 ANs YS热分析模块给出了饱 和混凝土中 氯离子浓度随时间和空间变化 的二维分布模型 冷 冰L 8 同样基于 ANS YS研究 了钢筋存在情 况下 , 异 1 ) 我 国环境腐蚀 问题 调查 R 北京 : 中国工程 院, 2 0 0 2 形截面饱和状态混凝土中氯离子浓度分布的预测方 法 但是 , 以往研究 中的数值模拟方法都是针对饱和 混凝土进行的, 是否 同样适用于模拟非饱和混凝土 中的氯离子传输尚需论证 本文基于 F i c k第一定律和质量守恒定律 , 在水 的 质量守 恒 方 程 中考 虑 对 流 作 用 引 起 的水 的 改 变
20、 量 , 建立扩散和对流作用完全耦合 的非饱和状态混 凝土中氯离子传输模型 采用交替方向隐式有 限差 分法 ( ADI ) 对传输控制方程进行 求解 , 得到非饱和 状态混凝 土 中氯 离 子传输 方程 的数 值解 , 通 过与 Ab a b n e h模型 3 以及美 国道路 与运输协会 的试 验 数据进行对 比 g , 验证本文所提出的氯离子传输模 型 的合理性 和有效性 从机 理上论证 采用 ANS Ys 热分析模块模拟非饱和混凝土 中氯离子传输 的可行 性 , 基于物质守恒定律 , 通过定义容量矩阵、 传递矩 阵和氯离子通过率 向量 , 并 与瞬态热平衡方程 中的 比热容矩阵、 传导矩
21、阵和热流量向量进行等效 , 给出 基于 ANS YS热分析模块模拟非饱和混凝土中氯离 子传输 的数值方法 , 将所得结果与本文提 出的氯离 子传输理论模型的数值解 、 美 国道路与运输协会 的 试验结果 对比后 , 验证了该方法的有效性 1 非饱和状态混凝土 中氯离子传输 的 理论模 型 1 1 传输 模 型的建 立 非饱 和状 态混凝 土 中 的氯 离 子通过 扩散 和 对 流 的双重耦合作用 向混凝土内部传输 , 因此 , 计算模型 应该由氯离子的传输控制方程和水 的传输控制方程 组成 , 每个控制方程 中均包含扩散项和对流项 , 以体 现此 过程 中氯 离子 和水 的相互 影 响 1 1
22、 1 氯离子的传输控制方程 根据 F i c k第一定律 , 单位时间内通过垂直于扩 散方 向的单位截面积的氯离子扩散通量与该截 面处 的氯 离子 浓度 梯度 成正 比 : J d一 D。 I g r a d ( Cf ) ( 1 ) 式中: J 为单位 时间内通过垂直于扩散方向的单位 截面积的氯离子扩散通量 ; D 为氯离子在混凝土 中 的扩散系数 ; C 为 自由氯离子浓度 根据质量守恒方程 , 单位时 间内单位混凝土 中 第 1期 贾立 哲 , 等 : 非饱和混凝土 中氯 离子传输机理 的氯离子改变量等于单位时间内由于扩散流人单位 混凝土的氯离子量加上单位时间内由于对流流人单 位混凝土的
23、氯离子量 : 警 : 一 d iv ( -, 1) + C f ( 2 ) 式中 : C 为总氯 离子浓度 , 包括结合氯离子 浓度和 自由氯离子浓度 ; t 为传输时间; I 为水对氯离子传 输的影响因子 ; 为混凝土含水量 由方程( 1 ) , ( 2 ) 得到混凝 土中氯离子传输的控 制方 程 : 一 筹= d iv D clg ra d ( C f) + c ( 3 ) 1 1 2 水的传输控制方程 根 据 F i c k第 一定 律 , 单位 时 间 内通 过垂 直 于 扩 散方 向的单位截面积的水扩散通量与该截面处水的 浓度 梯度 成 正 比 : JH一 一 DHg r a d(
24、H ) ( 4 ) 式中: 为单位 时间内通过垂直 于扩散方 向的单 位截面积 的水 的扩散通量 ; DH为水在混凝 土中的 扩散系数 ; H 为混凝土相对湿度 根据质量守恒方程, 单位时间内单位混凝土中水的 改变量等于单位时间内由于扩散流人单位混凝土的水量 加上单位时间内由于对流流人单位混凝土的水量: d w 一一 d i v ( , H)+ 2 Cf ( 5 ) 式中: 为氯离子对水传输 的影响 因子 式 中等号 右侧第 2项表示对流作用引起 的水的改变量 , 也是 本文建议的氯离子传输模型与其他学者给出的氯离 子传输模型 的区别所在 增加此项可 以使氯离子传 输过程完全满足质量守恒 ,
25、同时也使得整个传 输模 型更 加接 近传 输 的物 理过 程 由方程 ( 4 ) , ( 5 ) 得 到混凝 土 中水传输 的控制 方程 : 一 等等一 d iv E D H g r a d ( H ) + z 等 H( 6 ) 方程( 3 ) , ( 6 ) 组成 了扩散和对 流完全耦合的非 饱和混凝土中氯离子传输模型 在求解模 型 之前 , 应 先确 定方 程 中吸 水能 力 ( a w a H) 、 水分扩散系数 ( DH) 、 氯离子 的结合能力 ( a Cf a C ) 、 氯 离 子 扩 散 系 数 ( D 1 ) 以及 对 流 过 程 影 响因子( , ) 等基本参数 这些基本参
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- 关 键 词:
- 饱和 混凝土 氯离子 传输 机理
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