氯离子在预应力混凝土结构中扩散过程的有限元分析

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发布时间：2021-10-08

资料介绍

要：为指导氯离子侵蚀环境下预应力混凝土结构耐久性设计和寿命预测，基于 Fick第二定律的混凝土中
氯离子扩散方程与热传导方程的相似性，考虑物理或化学吸附、毛细吸收、预应力等多种机制和因素对氯离子在混
凝土内传输的影响，对氯离子扩散系数进行了修正，采用 ANsYs中热分析模块对氯离子在预应力混凝土结构中的
扩散过程进行数值分析。通过与氯盐侵蚀环境混凝土中氯离子浓度试验值进行对比，证明该方法能有效预测氯盐
侵蚀环境混凝土中氯离子浓度分布。采用该方法对现役近海预应力混凝土铁路桥梁氯盐侵蚀情况进行模拟，分析
得出服役 6O年左右该预应力混凝土铁路桥梁达到结构耐久性极限状态。
关键词：铁路桥梁；预应力混凝土结构；氯离子扩散系数；热传导方程；氯离子阈值；寿命预测；有限元法
中图分类号：U448．35 文献标志码：A 文章编号：1671—7767(2013)03—0062一O4
1 引言
对于处于沿海及近海地区的混凝土及预应力混
凝土结构，氯离子侵蚀所引起的钢筋锈蚀是其耐久
性失效的主要原因。国内、外学者通过试验研究揭
示氯离子侵蚀规律，并进行混凝土结构寿命预测，但
试验费用高，采集样本数据有限，检测方法并没有达
到完全无损检测，给混凝土结构造成附加损伤，计算
机分析方法能较好地解决该问题。本文采用 AN—
SYS的热分析模块，考虑物理或化学吸附、毛细吸
收、预应力等多种机制和因素对氯离子在混凝土内
传输的影响，通过引入或建立对氯离子扩散系数进
行修正的各种参数，对氯离子在预应力混凝土结构
内的扩散过程进行有限元分析，并与试验结果进行
对比。采用该方法对现役近海预应力混凝土铁路桥
梁氯盐侵蚀情况进行模拟分析，预测其寿命。
2 氯离子扩散的计算机模拟基础
氯离子在混凝土中传输以扩散为主时，其传输
规律符合 Fick第二定律口]：
aC n／a C l a C l a。C、
3t ＼az aY。 3z ／
式中，c、D 和 t分别为氯离子浓度、氯离子在混凝土
中的扩散系数和时间。
Fick第二定律的表达式与热传导微分方程形
式相同，故可采用参数等代法，取密度比热容 c为
l，视导热系数等同于氯离子扩散系数 D ，采用
ANSYS分析软件的热分析模块分析此过程。
3 分析参数的确定
3．1 氯离子扩散系数
混凝土中氯离子扩散系数与混凝土材料组成、
水化程度、混凝土结合氯离子能力、混凝土劣化效
应、应力状态系数、内部孔结构特征等内在因素有
关，同时与温度、湿度、暴露环境、养护龄期等外部参
数有关，因此引入各种参数修正基准氯离子扩散系
数，建立多因素氯离子扩散系数表达式，以综合考虑
各项影响因素对混凝土中氯离子浓度分布的影响，
因此氯离子扩散系数定义为_2]：
D 一 Do·，(￡)·-厂(T)·厂(H)·d ·厂(a)·，( )
(1)基准氯离子扩散系数 D。。美国混凝土学
会 365委员会建议的混凝土 28 d龄期氯离子扩散
系数为 _3]：
Dn= 1× 10‘一 ·06+2, 。w／ m ／s
(2)养护龄期系数厂(￡)。Mangat对混凝土中
氯离子扩散系数随时间变化进行试验研究，发现氯
离子扩散系数随时问增长而降低的规律能较好地用
幂函数表达 ]，即：
D 一 D0(t艄／t)
式中，(￡／t) 为养护龄期系数 f(￡)，m 为扩散系数
的时间依赖性指数，t。。一28 d，t为服役时间 (d)。根
据 Steinar H_c 的研究：
== = (0．8一W／C)+ o．4[PFA／50 4-PSA／70]
式中，w ／c为水灰比；Pr ≤ 50 9／6，为粉煤灰替代水