混凝土中氯离子三维扩散模型及参数拟合.pdf

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1、第22卷第l期厦门理工学院学报Vo1．22No．12014年2月JournalofXiamenUniversityofTechnologyFeb．2014混凝土中氯离子三维扩散模型及参数拟合施钢(厦门理工学院材料科学与工程学院，福建厦门361024)[摘要]提出了基于ANSYS有限元分析和试验实测数据拟合的混凝土中氯离子三维非稳态扩散模型．该模型可以模拟混凝土与海水接触表面氯离子随时间变化的累积效应、氯离子扩散系数随时间和氯离子浓度的变化，以及氯离子反应率对扩散的影响．根据非稳态扩散方程与导热方程的相似性，用ANSY

2、S有限元软件参数化设计语言编程方法，实现了数值模拟分析；利用ANSYS的优化设计功能，以有限元数值计算结果与实测数据的误差平方和最小为优化目标，拟合氯离子扩散试验的实测数据，得到数值模拟所需的模型参数．计算表明：模型能比较好地拟合长期海洋环境暴露试验的实测数据，为海洋环境中使用的混凝土结构的耐久性设计提供参考依据．[关键词]混凝土；氯离子扩散；有限元；最优化；试验数据拟合[中图分类号]TU528．01[文献标志码]A[文章编号]1673—4432(2014)01—080—06氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀是导致海洋环境中使用

3、的钢筋混凝土结构开裂失效的最主要因素．混凝土中氯离子扩散模型的研究，对预测和控制氯离子扩散，进行耐久性设计有着重要的意义，长期受到人们的关注¨-3]．Collepardi等用Fick第二定律描述氯离子在混凝土中的扩散过程，给出了一维扩散解析解J．Tang等建立了含有时变扩散系数的氯离子一维扩散模型，并给出了其解析解．孟宪强等和余红发等分别导出了考虑多种因素作用下的氯离子扩散理论模型的一维解析解。j．杨绿峰等推导了二维扩散解析解并进行了二维有限元j、边界元。。数值模拟．但是现有的氯离子扩散模型的解析解和数值模拟，在描述

4、扩散的外界条件和内在影响因素关系方面尚不完善．例如，将与海水接触表面的氯离子浓度作为常值处理¨0_不能反映接触表面氯离子的变化及其时间积累效应对氯离子扩散的影响．长期的海洋环境暴露试验的实测数据表明混凝土长期与海洋环境接触，表面氯离子浓度明显地随时间变化⋯．赵羽习等对有关混凝土表面氯离子浓度时变规律的研究进行了综述，并在试验研究基础上提出了描述混凝土表面氯离子累积规律的模型，但并未将此模型与混凝土内部扩散联系起来¨．此外，现有的氯离子扩散模型未涉及扩散系数随浓度的变化、氯离子反应等因素对扩散影响的定量分析等．本文以非

5、稳态扩散方程为基础，建立一个能够描述模拟混凝土与海水接触表面氯离子随时间变化的累积效应，氯离子扩散系数随时间、温度和氯离子浓度的变化，以及氯离子反应率对扩散影响的混凝土三维氯离子扩散模型，并通过对实测数据的拟合确定有限元模拟分析所需的模型参数．1三维氯离子扩散建模在假设材料是匀质、各向同性的条件下，根据微元内质量守恒原理和菲克定律，三维非稳态扩散方程M为oC／Ot=a(DOC／Ox)／Ox+R．(1)式(1)中：C为氯离子浓度，当浓度ql~4,时，可近似为氯离子占混凝土的质量分数，％；t为时间，[收稿日期]2013一

6、l1—26[修回日期]2014—0l—l4[作者简介]施钢(1960一)，男，副教授，博士，研究方向为冶金与材料工程、结构强度．E·mail：gshi@xmutedu．ca第1期施钢：混凝土中氯离子三维扩散模型及参数拟合·81·S；D为氯离子在混凝土中的扩散系数，s／m；表示、、，分别为笛尔卡坐标，m；R为氯离子反应率，ks／(ms)．Tang等利用快速扩散试验测量氯离子扩散系数，得出了随时间衰减的扩散系数．D(￡)=D。()．(2)式(2)中：t。为混凝土的初龄期，通常为28d；D。为初始龄期时混凝土的扩散系数，s

7、／m；n为混凝土扩散系数的龄期减系数，与胶凝材料的性质尤其是掺合料(如粉煤灰、矿渣等)有关，n=0．2O～O．64．Tumidjski等用Bohzmann—Matano法研究氯离子的扩散系统，发现氯离子扩散系数随时间、浓度、位置而变化．假设扩散系数随时间和浓度的变化不相互影响，可分离变量D(t，C)=D(t)·D(C)=D0(to~t)·D(C)．(3)式(3)中：D。(C)随浓度变化；浓度场c(x，y,z)是位置，Y，z的函数．将式(3)代人式(1)，并分离变量得fOC／Ot=a[D0toD(C)OC／Oxi]／O

8、x+Rt．(4)利用微分之间的关系￡出=d(t卜)／(1一n)代入式(4)，得OC／O(t一)=a[D0to／(1一n)·D(C)OC／Ox]／Ox+R^t／(1一n)．(6)为了方便有限元的求解，引入时变等效时间t。=t卜“，等效扩散系数D。(C)=D。￡。nD(c)／(1一rt)和等效反应率R=Rn)／(1一凡)，式(4)变为OC／Ot=D