文摘

氯离子扩散系数是最关键因素评价混凝土结构的耐久性和使用寿命预测暴露于氯环境。摘要,混凝土视为一个随机非均匀复合的三个阶段:骨料,矩阵,和它们之间的界面过渡区(ITZ)。介观模型建立了基于随机骨料模型和数值模型计算氯离子扩散系数提出了。聚合的影响的大小和属性界面过渡区对混凝土氯离子扩散系数进行了讨论。氯离子扩散系数大小的依赖,因为骨料随机分布在混凝土。不同尺寸下的氯离子扩散系数是通过大量的数值模拟,分析的代表性体积单元(RVE)氯离子渗透混凝土研究的统计方法。

1。介绍

Chloride-induced钢筋腐蚀已被确认为最主要的降解机制钢筋混凝土(RC)结构。钢筋混凝土结构的使用寿命主要取决于混凝土的氯离子扩散系数。鉴于其重要性,相当大的研究,实验和理论上,在混凝土的氯离子扩散系数的测定。混凝土可以被视为一种复合材料组成的聚合和砂浆,混凝土中的骨料随机分布。

在介观尺度(10⁻⁶米到10⁻³米),混凝土的氯离子扩散系数被视为一个多相复合可以表示如下: 在哪里C(我)的体积分数我阶段,D(我)是氯离子的扩散系数我阶段。以前一些研究人员已经研究了氯离子在混凝土的扩散系数,考虑混凝土作为两相复合。郑,周1]认为砂浆作为两相复合材料,开发了一个分析模型预测氯离子的扩散系数。霍布斯(2]和Xi Bazant [3]认为混凝土骨料和砂浆组成的两相复合材料,提出了一个模型来预测理论对混凝土的氯离子扩散系数方程。在混凝土浇注,薄薄的一层过渡区与大孔隙度之间的界面出现在骨料和砂浆由于“墙效应”(4]。梅塔和蒙泰罗5)表明,在介观尺度,混凝土可以被视为一种骨料组成的三相复合材料,灰浆和过渡区。Bentz和Garboczi6)表示,过渡带的厚度通常是20μm。Netami和Gardoni7)认为过渡带的厚度是30 - 100μ从渗透测试结果。公证人,Gartner (8)派生的厚度10和100之间的过渡区μm×背散射电子成像。的存在总有正好相反的对氯离子在混凝土运输的影响。一方面,骨料的引入增加了氯的运输路径的曲率,降低氯离子在混凝土的运输;另一方面,引入聚合生成聚合和砂浆之间的过渡区,打开新的渠道运输混凝土的氯和加速氯离子在混凝土的运输。杨和赵9)、护理(10),加藤和Uomoto [11]研究了氯的运输在过渡区加速测试。Garboczi和Bentz12)认为混凝土骨料组成的三相复合材料,砂浆,和过渡区,从理论上研究了混凝土的氯离子扩散系数。保健和Herve [13)看具体作为n步合成和研究氯离子的扩散系数。在介观尺度,使用数字工具来预测氯离子扩散系数也在耐久性研究的一个热门话题。王等人。14)开发了一个模型来预测混凝土的氯离子扩散系数的扩散使用格点模型。周和李15)研究通过观察混凝土的渗透性能作为一个三相复合和讨论具体的影响上的过渡区渗透率属性。郑et al。16)模拟了聚合、砂浆和过渡区分别和开发了一个数学模型来预测混凝土的氯离子的扩散。

Yu et al。17]研究了混凝土中氯离子扩散与不同的骨料体积比率(AVR)和界面过渡区(ITZ)随机骨料模型。郑et al。18)提出了一种数值算法评估混凝土的氯离子扩散系数和碎料。刘等人。19,20.)开发了一种多相运输模型来解释了骨料的形状会影响混凝土的氯离子扩散和聚集的影响和相应ITZ在混凝土和砂浆氯扩散。

混凝土骨料的分布有两个截然相反的对氯离子在混凝土运输的影响。随机分布的聚集导致的混凝土氯离子扩散系数的值不是常数,因此有必要讨论的代表性体积单元(RVE)氯离子的扩散系数。研究人员给出的定义不同RVE取决于研究的目的。山(21)表示,RVE必须包含足够的信息来反映材料的微观结构非均匀性(夹杂物颗粒,毛孔、纤维等)。Hashin [22)表示,RVE应该足够大到足以反映微观结构的信息来满足其代表性需求。办法和意志23)表示,RVE应该足够大相对于微观结构来确保它反映。Ostoja-Starzewski [24]RVE视为包含足够的统计力学属性的最小体积,体积的增加不会引起材料性能的变化。Kaint et al。25),Gitman et al。26],和Segurado Llorca [27)认为RVE的属性必须反映材料的宏观性质,能够充分反映材料的微观结构的信息。Gitman et al。26]给出的表达式RVE的定义如下:

方程(2)认为,当标本大小达到RVE大小,对于任何给定的正数,场变量的均值之间的差异小于均值。

根据上述学者的RVE的定义,RVE应该足够大相对于微观结构含有足够的微观信息,同时远小于宏观结构的大小。复合材料RVE的大小各不相同,不同的物理问题。当前研究RVE混凝土主要集中在弹性模量、强度等。28- - - - - -31日),而很少有研究RVE混凝土氯离子扩散的,因此有必要研究氯离子在混凝土的扩散的大小依赖并提供一个理论依据的氯离子扩散系数的实验测试和评估混凝土结构在氯离子环境中。

在这项研究中,预测氯的细观数值模型的扩散系数是首次开发,和混凝土的氯离子扩散系数的大小不同的标本进行分析,讨论氯离子扩散系数的大小依赖,最后,一个RVE混凝土的氯离子扩散进行了讨论。

在这项研究中,混凝土视为一种骨料组成的三相复合材料,砂浆,和过渡区,和介观尺度结构使用骨料随机模型,建立了混凝土细观数值模型,计算混凝土的氯离子扩散系数。考虑到混凝土作为一个非齐次材料,混凝土的氯离子扩散系数大小的依赖。氯离子扩散系数的大小不同的标本被31200次数值分析研究,和代表性体积单元讨论了混凝土的氯离子扩散统计分析。

2。氯离子扩散系数的数值模拟

2.1。随机骨料结构模型

为了确定混凝土中氯离子扩散系数的扩散在介观尺度上,首先需要模拟混凝土的介观结构。混凝土在介观尺度可以被视为组成的三相复合骨料,灰浆和过渡区。在介观尺度,许多学者建立了中型构造模型的混凝土,如磨泥模型由Bazant和Gambarova [32,33),硬颗粒接触模型由Zubelewicz和Bazant [34王],提出的随机骨料模型et al。35]。这些结构性模型提供了可靠的计算模型为研究混凝土的宏观性质。其中,王等人提出的随机骨料模型非常类似于介观视图实际混凝土结构的形状、大小和粗骨料分布。因此,在本文中,王等人提出的随机骨料模型将用于研究混凝土的氯离子的扩散。的几何位置骨料混凝土体内服从一定分布规律和总可以确定空间的几何位置的帮助下蒙特卡罗方法。然后建立了混凝土随机骨料模型根据聚合的层次和几何形式的聚合。方法是段粗骨料颗粒级配曲线,计算总体的数量在每一个细分相结合的卷内容聚合和混凝土试件的大小,和检查样本根据其粒子大小和形状。这些聚集被认为是多边形形状的飞机,被认为是多边形的几何中心形成的局部坐标系建立聚合。在生成的过程中这些聚集,这些聚集极地中心的几何位置,骨料的多边形的数量(随机分布的数量的(3,10]),和极地直径和极角的多边形角点视为随机变量。蒙特卡罗方法用于取代和聚合方法是埋在砂浆阶段随机和内部骨料被认为不重叠,并聚集到边界的距离成正比,骨料粒径的模拟粗骨料和混凝土之间的侧壁效应边界,和骨料分级遵循富勒曲线: 在哪里Y表示下面的累积与粒径骨料的质量分数R,R_马克斯最大总实际大小,R_最小值最小总实际大小。

图1(一)显示了样本总量的分布大小为150毫米×150毫米,R_马克斯= 20毫米,R_最小值= 5毫米,骨料体积百分比为40%。有限元网格的随机骨料模型,考虑到特别薄的过渡区厚度,通常少于100,过渡区解剖与2-node线性有限元模型网格,如图1 (d)。迫击炮和聚合,6-node三角网格用于啮合的迫击炮和聚合数据所示1 (b)和1 (c)。

2.2。有限元分析氯离子的扩散系数

提供混凝土处于饱和状态时,氯离子进入混凝土的扩散是由于现有的浓度梯度。通量氯饱和混凝土由于扩散是由菲克第一定律: 在哪里由于扩散通量的氯,是有效的氯离子扩散系数,是氯溶解在孔隙溶液的浓度。为稳定的氯离子扩散过程,建立氯质量守恒的结果,

在解决数值模型在混凝土氯离子扩散系数的边界条件如图所示2和总结如下:

根据上述边界条件,氯离子通量的方向有限元模型可以从有限元分析获得;然后,氯的平均通量的方向可以表示如下:

菲克第一定律,混凝土的氯离子扩散系数可以表示如下:

2.3。数值模型的验证

杨和赵9]研究了氯离子扩散系数的迫击炮与不同的骨料体积通过加速测试内容。在他们的实验中,杨和曹五组砂浆标本不同骨料体积含量(0%,10%,20%,30%,40%),得到氯离子扩散系数的骨料的砂浆不同体积含量的测试。图3显示了氯离子的扩散系数在砂浆的预测数值模型与实验值相比。数值测试,随机分布的聚合物砂浆是充分考虑每个总卷和100数值样本生成内容。可以看出,数值结果与实验结果吻合较好,验证了数值模型的可靠性研究在某种程度上。

3所示。氯离子扩散系数的统计分析

混凝土是用复合骨料随机分布。在大多数情况下,其复合行为是依赖于尺寸的。许多努力都给研究混凝土的弹性模量和强度的尺寸效应(26- - - - - -29日]。然而,同样的组合,不同的物理过程可以有不同的大小的影响。在这项研究中,数值大小不同的样本是随机生成的在这一节和氯离子扩散系数的统计特性进行了分析。然后,一个概念与氯离子扩散系数的统计特性密切相关,代表性体积单元(RVE),讨论了数值样本容量和预期的模拟误差。

3.1。氯离子扩散系数分析的随机样本

不同尺寸下混凝土氯离子扩散系数的分析在这一节中。图4显示不同大小的样品产生的RAS模型。数值样本大小比例为100毫米250毫米和50毫米增加分数。对于每一个样本,100个随机生成聚合结构= 5毫米,= 20毫米,骨料的体积分数= 0.4,骨料的分布遵循富勒的曲线。在所有数值样本,ITZ宽度是保留 ,四氯离子扩散系数对比口粮被: = 1、5、10和25日和三个线性约束因素考虑= 0、0.08和0.16。因此,对于一些和模拟值,2600,和31200年执行模拟氯离子扩散系数分析。数据5- - - - - -7显示,数值模拟结果和不同大小的平均值。它可以观察到相对氯离子扩散系数是依赖和 ,氯离子扩散系数的增加而增加和减少的 。氯的色散与样本量的增加大幅减少。这个尺度依赖的色散特性的随机非均匀复合材料的性质。理论上这种色散可以消失的规模达到样品的代表性体积单元(RVE)的大小。牧师的规模评估混凝土的氯离子扩散通过使用统计方法。

探讨氯离子的扩散系数的统计特征的样本大小,绑定效果,和ITZ属性,氯离子扩散系数被认为是各态历经的平稳随机函数。然后,选择一个幂律总氯离子扩散系数的方差: 在哪里代表了氯离子扩散系数的方差的数值大小的样本实现一个,是一个纯粹的几何因子,力量指数。上面的关系可以在对数尺度转换为线性关系:

氯离子扩散系数的方差可以表示如下: 在哪里代表了我相体积分数和代表了有效的氯离子扩散系数我th阶段。

提交数据的数值结果5- - - - - -7在方程(10),总氯离子扩散系数的方差是安装不同的对比口粮和绑定系数 。表1和数字8- - - - - -10代表相关的拟合结果。它可以观察到,所有病例的相关系数大于0.985,这表明幂律非常适合。大幅降低对比度增加。这可以归因于一小部分但高当地ITZ的氯离子扩散系数。力量指数大于1也非常接近1,这意味着,氯离子扩散系数的方差减小缓慢增加样本量。它也可以观察到,力量指数增加而增加和值。这可以归因于特定结构的三相复合行为:不透水ITZ聚合涂层的氯离子扩散速度比在灰浆。在氯离子扩散过程中,一个ITZ层与当地高氯离子扩散系数呈现聚集到“diffusion-able”在某种程度上。的值和有相同的色散的影响等效混凝土氯离子的扩散系数。更大的值和,较小的氯离子的扩散性质的区别在砂浆和聚合,从而使分散的氯离子在混凝土的有效扩散系数小。

3.2。RVE估计混凝土氯离子扩散

作为一种非均质的材料,具体需要研究在介观尺度如果其宏观性质被清楚地理解,而且RVE之间的桥梁混凝土的宏观模型和介观模型。从理论上讲,宏观性质稳定后标本大小达到RVE大小。氯离子的扩散系数小的分散与增加样本大小但从未消失数值结果在图中可以看到5。统计数值模型计算RVE的大小根据数理统计理论预期的准确性(36]: 在哪里米₀是平均值,N₀独立样本的数量,是预期的错误。用方程(9)方程(12),RVE的期望误差值的大小可以表示如下:

用拟合的数据表1到(13),RVE的大小对氯离子在混凝土的扩散是获得不同的值和和不同预期的错误 。表2显示了估计RVE尺寸混凝土氯离子扩散的不同期望误差情况。可以看出,当预期的误差为1%,RVE的大小约为390 - 460毫米,最大总大小的19倍,当预期的误差为5%,RVE的大小约为85 - 100毫米,最大总大小的4 - 5倍。另一个重要应用方程(13)是计算RVE大小不同数量的数值试验。表3显示了不同数量的数值的估计RVE大小测试预计1%的误差。= 1可以看出,RVE的大小大约是390 - 460毫米,最大总大小的19倍,而对于= 10,RVE的大小大约是130 - 151毫米,最大总大小的6 - 8倍。

4所示。结论

氯离子的扩散系数是耐久性设计的最关键的因素,评估和寿命预测在氯盐环境下混凝土结构。在这项研究中,混凝土视为一种骨料组成的三相复合材料,砂浆,介观结构和过渡区,建立了混凝土使用随机骨料模型建立mesoscopic-scale数值模型计算混凝土的氯离子扩散系数。考虑到混凝土是一种非均质的材料和混凝土的氯离子扩散系数大小依赖,大小不同的氯离子扩散系数的标本进行了价值分析31200倍,和RVE混凝土氯离子扩散系数的统计分析进行了讨论。在这项研究中可以得出以下结论。(1)氯离子扩散系数的混凝土骨料体积含量密切相关,骨料粒径的大小和性质的过渡区。(2)混凝土的氯离子扩散系数与样本大小,尺寸越小,分散的氯离子扩散系数越大,色散的氯离子扩散系数的减少随着试样尺寸的增加。的值和价值有相反的影响氯离子的扩散系数的平均值,更大的价值 ,平均值的氯离子扩散系数越小;更大的价值 ,更大的氯离子的扩散系数的平均值。的价值和的值有相同的色散的氯离子扩散系数的影响和更大的价值和的值 ,分散的氯离子扩散系数越小。RVE的尺寸混凝土氯离子扩散的被统计分析估计,这些期望误差和相关数值样本的数量。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

对谢林和帮派贡献同样这项工作。

确认

这项工作是由广东省科学技术厅支持广东关键领域研发计划项目”关键技术研究柔性直流并网的智能电力在广东,香港,澳门和大湾地区(2019 b111109001)。