硫酸盐侵蚀混凝土过程的有限元格式

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发布时间：2021-10-08

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要。假设混凝土内部各点硫酸盐的浓度为空间域和时间域的函数，采用加权余量法和部分离散法，推导出瞬态浓度场的硫酸盐
扩散微分方程，建立了三维瞬态有限元格式，为侵蚀过程的数值模拟奠定了较好的基础。
关键词：混凝土；瞬态；硫酸盐侵蚀；有限元格式
中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2011)03—0009—02
Finite elem ent form at of the sulfate eroding process in concrete
WEIXiao-feng，JIAO Chu4ie，GAOLe
(School ofCivil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)
Abstract： The sulfate eroding process can be regarded as a transient process，and can be simulated by the multidimension and transient—diffu—
sion mode1．Establishing an appropriate finite element format of SO~diffusion is very crucial to simulate the eroding process．A hypothesis is made
in this paper that the concentration of each point in concrete is a function concerning spatial dom ain and tim e dom ain．The weighted—residual and
part—discrete method are used，and the sulfate diffusion differential equation was obtained，and the 3-D transient finite element format was built，
which may be usefu l for the numerical simulation ofthe eroding process．
Key words： concrete；transient；S0：diffusion；element format
0 引言
在酸雨、盐碱性土壤、工业污水等硫酸盐侵蚀环境下，混凝土
结构的老化病害现象 Et益严重。许多地方如内蒙古盐湖卤水中
s0j球度最高达到 36 445 rng／L，博斯腾湖地区的地下水中s0j呻农
度高达 12 728 mg／L[q。资料显示：从 1975年到 1985年，美国由于
腐蚀引起的损失从 700亿美元上升到 l 680亿美元；在 1989年的
腐蚀调查中，英国英格兰岛 1 1座混凝土高架桥的维修费用耗资 4
500万英镑，是最初造价的 1．6倍[21。德国学者 GerdZirnmermann
和 WilfriedMack(1999)P]在第四届国际腐蚀控制大会上，指出腐
蚀破坏造成的维修费用已构成全部国民生产中的重要部分。
硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一。美国普
渡大学的 Tian和 Cohen(2000)tsj以及 Raphael Tixier将砂浆试块
在 Na SO 溶液浸泡后，发现侵蚀过程中形成的大量石膏是试块膨
胀破坏的主要来源。印度土木工程研究所的 Santhanam(2002)[6]将
水泥砂浆试块浸泡于硫酸钠和硫酸镁溶液中，研究了溶液浓度对
膨胀速度的影响，结果表明：在硫酸钠和硫酸镁溶液中的膨胀都可
分为两个阶段，在硫酸钠溶液中，浓度的增加不改变第一阶段的膨
胀速率，却显著的增加第二阶段的膨胀速率，在硫酸镁溶液中，浓
度的增加能增加普通水泥砂浆的膨胀速率。中国矿业大学梁咏宁
和袁迎曙(2004)通过用超声波法检测受硫酸盐侵蚀t昆凝土的表面
损伤层厚度的研究，发现水灰比对混凝土的抗硫酸盐侵蚀影响
很大。随着水灰比的增加，混凝土的损伤程度显著增加。
国内外每年关于硫酸盐侵蚀的研究有大量文献发表，但通
过试验数据对硫酸盐侵蚀过程进行数值模拟l 8I的研究暂不多
见。为了能够数值模拟硫酸盐侵蚀的整个过程，建立相应的有限元
格式就显得至关重要 1。本文针对硫酸钠溶液侵蚀混凝土试块
的过程，分析并建立有限元格式。其中硫酸钠溶液浓度为 5％和
10％，试块尺寸为 40 mmx40 mmxl60 mm，侵蚀龄期为 15、30、
45、60、75、90 d，采用浸烘循环方式。
1 瞬态三维so 扩散微分方程
本文假定混凝土为各向同性材料，并选用正六面体八节点
单元，混凝土微元六面体见图 1。在S04：-侵蚀的过程中，混凝土
内部各点的浓度随着各点的位置不同和时间的经过而变化，浓