干湿交替下水分及氯离子在混凝土中传输的细观数值模拟
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［1112 ］ 。 两者界面的厚度不大于 50 #m， 这里取 20 #m 料， 其中， 将砂浆和骨料视为各向同性（ 如图 1 （ a） 所示） ，
利用混凝土的细观结构， 可以较准确地模拟各相组成部分的物质传输性能 ， 尤其是 ITZ 的传输特性。
图1 Fig． 1
混凝土细观结构模型及 Voronoi 单元图形 Fig． 2
第 32 卷第 1 期 2014 年 1 月 9865 （ 2014 ） 01006807 文章编号： 1005-
海 洋 工 程 THE OCEAN ENGINEEＲING
Vol． 32 No． 1 Jan． 2014
干湿交替下水分及氯离子在混凝土中传输 的细观数值模拟
王立成 鲍玖文，
（ 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽宁 大连 116024 ）
70 料骨料及砂浆骨料界面单元（ 见图 2 ） 。
海
洋
工
程
第 32 卷
利用不规则的格构网络模型可有效地描述水分及氯离子的传输过程 ， 更合理地解释其变化规律。 对于 混凝土在一定面积上物质传输问题 ， 可用格构单元来代替， 将二维的物质传输问题简化为一维问题 。不同的 格构单元采用不同的断面截面面积和扩散系数 。例如砂浆格构单元 kj 断面面积取为 Voronoi 单元内三角形 mnj 的面积， 而扩散系数根据其格构单元类型即砂浆的扩散系数确定 。 在一般情况下， 因混凝土粗骨料较低 的渗透性， 将骨料格构单元的扩散系数取为 0 。对于界面单元， 在裂缝出现前假定在骨料骨料和砂浆砂浆 界面格构单元上不发生物质的传输 ， 其扩散系数为 0 ， 而骨料砂浆界面单元的截面面积和扩散系数则取决 于界面层的厚度和孔隙结构， 通常取其扩散系数为砂浆的 10 倍左右
Abstract： Chlorideinduced corrosion is one of the major deterioration mechanisms of reinforced concrete that may seriously influence durability of the structures in marine and offshore environment． With consideration of nonhomogeneous characteristic of the material composition，the mesoscale method，in which concrete is described as a threephase composite consisting of the coarse aggregate， hardened cement mortar and the interfacial transition zone between them，is adopted to conduct the study of mass transport process． In the present paper，the onedimensional nonlinear convectiondiffusion equation of chloride transport is established，as well as its finite difference form by means of the Galerkin weighted residual method． Based on mesoscopic structure of concrete，the mesoscale lattice network model is developed，which is able to simulate the water and chloride transport process in unsaturated concrete． The transport property is investigated by analyzing the influence of the cycles and cyclic scheme of dryingwetting． Numerical calculation results show that the depth of water and chloride penetration into the unsaturated concrete mainly depends on the wetting time． The chloride ion content of concrete surface is influenced by the drying time and cycles． Additionally， it is found that there is a concentration of chloride in the depth of 10 mm． Key words： concrete； chloride； mesoscale； dryingwetting cycles； transport
［1314 ］
。为了描述混凝土材料的不均匀性， 充分考虑骨料分布
和各相组分力学性质的随机性， 利用 Voronoi 图形单元划分技术得到凸多边形的几何单元图 （ 如图 1 （ b ） 所 示） 。将 Voronoi 单元的中心与其边界的中点用直线连接 ， 可建立适用于物质传输的格构网络模型 。 格构网 络模型中将混凝土细观结构划分为砂浆单元 、 骨料单元及界面单元， 其中界面格构单元包括砂浆砂浆、 骨
图2
格构网络模型示意
Mesoscale structure and Voronoi diagram of concrete
Schematic diagram of the lattice network model
细观层次上， 可将连续介质离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构网络系统 。 已有学者使用格构模 型模拟了混凝土及其他非均质材料的力学性能
摘 要： 氯离子侵蚀已成为影响海洋及近海环境中混凝土结构耐久性的主要因素 。 考虑材料组成的非匀质特性， 将混凝土看
作由粗骨料、 硬化水泥砂浆及二者界面过渡区组成的三相复合材料的细观层次方法， 是开展物质传输过程研究的新途径 。 建 立非饱和混凝土中氯离子传输的一维非线性对流扩散方程， 并利用伽略金加权余数法给出了该方程的有限元形式， 采用适用 于物质传输的细观格构网络模型开展了水分及氯离子在非饱和混凝土中传输过程及分布规律研究， 分析了干湿循环周期和 循环机制对水分及氯离子传输性能的影响规律 。数值计算结果表明， 干湿交替下， 相同的干燥时间， 非饱和混凝土内水分及 氯离子的侵入深度主要取决于湿润时间， 而干燥时间和循环周期数则影响混凝土表层氯离子含量， 并在混凝土表层 10 mm 处 有浓度集中现象。 关键词： 混凝土； 氯离子； 细观； 干湿交替； 传输过程 中图分类号： TU528 文献标识码： A
［1112 ］
。因此， 为了考虑材料组成的非匀质特性， 并能准确
地描述水分及氯离子的传输过程 ， 基于混凝土结构的细观层次模型， 利用适用于物质传输的细观格构网络模 型， 建立了氯离子传输的一维非线性对流扩散方程 ， 并利用伽略金加权余数法给出该方程的有限元形式， 开 展干湿交替下水分及氯离子在混凝土中的传输过程及分布规律的研究 。
1
混凝土细观结构及格构网络模型
细观和微观三个层次。 在宏观层次上， 假定材料为 根据混凝土内部结构， 通常将混凝土研究分为宏观、
匀质的； 在微观层次上， 材料结构单元尺寸一般在原子、 分子量级， 并认为砂浆是由砂浆基质和孔隙组成的非 匀质材料； 然而， 在细观层次上， 可将混凝土视为由砂浆、 粗骨料及二者界面过渡区 （ ITZ ） 组成的三相复合材
第1 期
鲍玖文， 等： 干湿交替下水分及氯离子在混凝土中传输的细观数值模拟
69
在海洋和除冰盐环境下， 混凝土中氯离子的侵入是决定钢筋腐蚀 、 影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因 素
［1 ］
。因此， 研究氯离子在混凝土中的传输机理及其分布是开展混凝土结构耐久性分析和寿命预测的前提
［2 ］
和基础。 许多学者对氯离子在混凝土中的传输机理开展了大量的研究 。 Costa 等 分析了海洋环境下氯离子侵
0226 收稿日期： 2013基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 51378090 ） ； 交 通 运 输 部“港 口 工 程 结 构 全 寿 命 设 计 指 标 体 系 及 方 法 研 究 ” 科技项目 （ 20113280001110 ） mail： baojiuwen55@ 126． com ）， 作者简介： 鲍玖文（ 1989硕士生， 主要从事钢筋混凝土耐久性研究。E男， 黑龙江佳木斯人， mail： wanglicheng2000@ 163． com 通讯作者： 王立成。E-
［4 ］ ［3 ］ 龄 入混凝土的影响因素， 如氯离子扩散系数 D 和混凝土表面氯离子浓度 C s 等； Xi 等 综合考虑了水灰比、
期、 水泥品种及骨料含量等因素， 建立了饱和状态下， 混凝土中氯离子传输过程的数学模型 ； Sandberg 测分析了氯离子在混凝土中传输过程的规律 。
通过
试验模拟海洋环境， 研究混凝土中氯离子结合作用的影响因素 ， 根据线性结合关系并应用 Fick 第二定律， 预 一般认为， 除长期处于水下的混凝土结构， 实际大多数混凝土处于非饱和状态 。例如北方除冰盐环境和 海洋浪溅区， 混凝土结构通常处于非饱和状态或者经受干湿交替作用 。 Ababneh 等
Mesoscale simulation of water and chloride transport in concrete subjected to dryingwetting cycles
BAO Jiuwen ，WANG Licheng
（ State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024 ，China）
利用混凝土的细观结构， 可以较准确地模拟各相组成部分的物质传输性能 ， 尤其是 ITZ 的传输特性。
图1 Fig． 1
混凝土细观结构模型及 Voronoi 单元图形 Fig． 2
第 32 卷第 1 期 2014 年 1 月 9865 （ 2014 ） 01006807 文章编号： 1005-
海 洋 工 程 THE OCEAN ENGINEEＲING
Vol． 32 No． 1 Jan． 2014
干湿交替下水分及氯离子在混凝土中传输 的细观数值模拟
王立成 鲍玖文，
（ 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽宁 大连 116024 ）
70 料骨料及砂浆骨料界面单元（ 见图 2 ） 。
海
洋
工
程
第 32 卷
利用不规则的格构网络模型可有效地描述水分及氯离子的传输过程 ， 更合理地解释其变化规律。 对于 混凝土在一定面积上物质传输问题 ， 可用格构单元来代替， 将二维的物质传输问题简化为一维问题 。不同的 格构单元采用不同的断面截面面积和扩散系数 。例如砂浆格构单元 kj 断面面积取为 Voronoi 单元内三角形 mnj 的面积， 而扩散系数根据其格构单元类型即砂浆的扩散系数确定 。 在一般情况下， 因混凝土粗骨料较低 的渗透性， 将骨料格构单元的扩散系数取为 0 。对于界面单元， 在裂缝出现前假定在骨料骨料和砂浆砂浆 界面格构单元上不发生物质的传输 ， 其扩散系数为 0 ， 而骨料砂浆界面单元的截面面积和扩散系数则取决 于界面层的厚度和孔隙结构， 通常取其扩散系数为砂浆的 10 倍左右
Abstract： Chlorideinduced corrosion is one of the major deterioration mechanisms of reinforced concrete that may seriously influence durability of the structures in marine and offshore environment． With consideration of nonhomogeneous characteristic of the material composition，the mesoscale method，in which concrete is described as a threephase composite consisting of the coarse aggregate， hardened cement mortar and the interfacial transition zone between them，is adopted to conduct the study of mass transport process． In the present paper，the onedimensional nonlinear convectiondiffusion equation of chloride transport is established，as well as its finite difference form by means of the Galerkin weighted residual method． Based on mesoscopic structure of concrete，the mesoscale lattice network model is developed，which is able to simulate the water and chloride transport process in unsaturated concrete． The transport property is investigated by analyzing the influence of the cycles and cyclic scheme of dryingwetting． Numerical calculation results show that the depth of water and chloride penetration into the unsaturated concrete mainly depends on the wetting time． The chloride ion content of concrete surface is influenced by the drying time and cycles． Additionally， it is found that there is a concentration of chloride in the depth of 10 mm． Key words： concrete； chloride； mesoscale； dryingwetting cycles； transport
［1314 ］
。为了描述混凝土材料的不均匀性， 充分考虑骨料分布
和各相组分力学性质的随机性， 利用 Voronoi 图形单元划分技术得到凸多边形的几何单元图 （ 如图 1 （ b ） 所 示） 。将 Voronoi 单元的中心与其边界的中点用直线连接 ， 可建立适用于物质传输的格构网络模型 。 格构网 络模型中将混凝土细观结构划分为砂浆单元 、 骨料单元及界面单元， 其中界面格构单元包括砂浆砂浆、 骨
图2
格构网络模型示意
Mesoscale structure and Voronoi diagram of concrete
Schematic diagram of the lattice network model
细观层次上， 可将连续介质离散成由弹性杆或梁单元连结而成的格构网络系统 。 已有学者使用格构模 型模拟了混凝土及其他非均质材料的力学性能
摘 要： 氯离子侵蚀已成为影响海洋及近海环境中混凝土结构耐久性的主要因素 。 考虑材料组成的非匀质特性， 将混凝土看
作由粗骨料、 硬化水泥砂浆及二者界面过渡区组成的三相复合材料的细观层次方法， 是开展物质传输过程研究的新途径 。 建 立非饱和混凝土中氯离子传输的一维非线性对流扩散方程， 并利用伽略金加权余数法给出了该方程的有限元形式， 采用适用 于物质传输的细观格构网络模型开展了水分及氯离子在非饱和混凝土中传输过程及分布规律研究， 分析了干湿循环周期和 循环机制对水分及氯离子传输性能的影响规律 。数值计算结果表明， 干湿交替下， 相同的干燥时间， 非饱和混凝土内水分及 氯离子的侵入深度主要取决于湿润时间， 而干燥时间和循环周期数则影响混凝土表层氯离子含量， 并在混凝土表层 10 mm 处 有浓度集中现象。 关键词： 混凝土； 氯离子； 细观； 干湿交替； 传输过程 中图分类号： TU528 文献标识码： A
［1112 ］
。因此， 为了考虑材料组成的非匀质特性， 并能准确
地描述水分及氯离子的传输过程 ， 基于混凝土结构的细观层次模型， 利用适用于物质传输的细观格构网络模 型， 建立了氯离子传输的一维非线性对流扩散方程 ， 并利用伽略金加权余数法给出该方程的有限元形式， 开 展干湿交替下水分及氯离子在混凝土中的传输过程及分布规律的研究 。
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混凝土细观结构及格构网络模型
细观和微观三个层次。 在宏观层次上， 假定材料为 根据混凝土内部结构， 通常将混凝土研究分为宏观、
匀质的； 在微观层次上， 材料结构单元尺寸一般在原子、 分子量级， 并认为砂浆是由砂浆基质和孔隙组成的非 匀质材料； 然而， 在细观层次上， 可将混凝土视为由砂浆、 粗骨料及二者界面过渡区 （ ITZ ） 组成的三相复合材
第1 期
鲍玖文， 等： 干湿交替下水分及氯离子在混凝土中传输的细观数值模拟
69
在海洋和除冰盐环境下， 混凝土中氯离子的侵入是决定钢筋腐蚀 、 影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因 素
［1 ］
。因此， 研究氯离子在混凝土中的传输机理及其分布是开展混凝土结构耐久性分析和寿命预测的前提
［2 ］
和基础。 许多学者对氯离子在混凝土中的传输机理开展了大量的研究 。 Costa 等 分析了海洋环境下氯离子侵
0226 收稿日期： 2013基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 51378090 ） ； 交 通 运 输 部“港 口 工 程 结 构 全 寿 命 设 计 指 标 体 系 及 方 法 研 究 ” 科技项目 （ 20113280001110 ） mail： baojiuwen55@ 126． com ）， 作者简介： 鲍玖文（ 1989硕士生， 主要从事钢筋混凝土耐久性研究。E男， 黑龙江佳木斯人， mail： wanglicheng2000@ 163． com 通讯作者： 王立成。E-
［4 ］ ［3 ］ 龄 入混凝土的影响因素， 如氯离子扩散系数 D 和混凝土表面氯离子浓度 C s 等； Xi 等 综合考虑了水灰比、
期、 水泥品种及骨料含量等因素， 建立了饱和状态下， 混凝土中氯离子传输过程的数学模型 ； Sandberg 测分析了氯离子在混凝土中传输过程的规律 。
通过
试验模拟海洋环境， 研究混凝土中氯离子结合作用的影响因素 ， 根据线性结合关系并应用 Fick 第二定律， 预 一般认为， 除长期处于水下的混凝土结构， 实际大多数混凝土处于非饱和状态 。例如北方除冰盐环境和 海洋浪溅区， 混凝土结构通常处于非饱和状态或者经受干湿交替作用 。 Ababneh 等
Mesoscale simulation of water and chloride transport in concrete subjected to dryingwetting cycles
BAO Jiuwen ，WANG Licheng
（ State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024 ，China）
