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本文结合边界元法和室内试验,研究了氯离子在混凝土结构中的扩散规律,进而研究了混凝土结构在氯离子环境下的耐久性。主要做了以下四方面的研究工作:
1.常扩散系数混凝土中氯离子扩散规律的边界元分析。推导了边界元计算格式:提出了氯离子扩散场计算长度理论,建立了计算长度表达式,并确定了计算长度系数;建立了混凝土结构中氯离子一维、二维扩散分析的边界元数值计算模型。算例结果分析验证了扩散场计算长度理论对于氯离子扩散问题的必要性,同时也验证了边界元具有较高的计算精度。
2.混凝土的氯离子扩散室内试验研究。制备了掺粉煤灰、矿渣、硅灰等混合材的高性能混凝土和普通混凝土,通过快速氯离子扩散实验(ASTMC1202)得到其电通量,分析表明了高性能混凝土的耐久性要优于普通混凝土;建立了一维常扩散系数氯离子扩散数值计算模型模拟实验值,验证了该数值模型的正确性。
3.时变扩散系数混凝土中氯离子扩散规律的边界元研究。建立了边界元计算格式;提出了混凝土中氯离子扩散场的计算长度理论,建立了计算长度表达式,并确立了计算长度系数;建立了混凝土结构中氯离子一维、二维扩散分析的边界元数值计算模型。算例分析验证了扩散场计算长度理论对于氯离子扩散问题的必要性,同时也验证了边界元具有较高的计算精度。另外,分析结果表明了无论一维扩散还是二维扩散若按常扩散系数考虑则都高估了氯离子在混凝土中的扩散作用;而一维扩散由于无法考虑结构角点处的几何特性,导致低估氯离子在这些几何形状较为复杂之处的氯离子积聚速度和浓度。无论高估还是低估氯离子在混凝土中的扩散,都会对混凝土结构的设计、后期维护及造价造成不利影响。故对于氯离子一维扩散和二维扩散的混凝土结构,应分别按照本文提出的一维时变扩散系数边界元数值模型和二维时变扩散系数边界元数值模型模拟实际工程。
4.时变扩散系数混凝土结构服役寿命的边界元预测模型研究。讨论了模型中几个重要参数的取值。算例分析表明了本文方法能够准确预测和评估氯盐环境下混凝土的服役寿命。同时本文提出的二维时变扩散边界元数值模型比现在许多在一维扩散的基础上修正的模型更有应用价值和实际意义,而且边界元法在计算效率和时间上大大优于有限元法。