圆柱体混凝土构件中氯离子扩散的解析研究

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发布时间：2021-10-28

资料介绍

为了研究水运工程和海洋工程中圆柱体混凝土构件的氯离子扩散过程及耐久性服役寿命，通过二维氯
离子扩散控制方程的坐标变换，建立了圆柱体混凝土构件中氯离子扩散的极坐标控制方程，使用变量分离法和
贝塞尔函数的简化公式，推导并建立了圆形截面混凝土构件中氯离子扩散的解析方法，据此分析了不同半径圆
柱构件中氯离子浓度的变化规律，通过宏观扩散过程分析以及与有限元方法计算结果的比较，验证了本文方法
的正确性；通过与矩形截面混凝土构件中氯离子二维扩散及浓度分布的对比，可知在相同条件下，选择圆形截
面代替矩形截面构件可有效提高混凝土结构的抗氯离子侵蚀性能，提高结构耐久性．
关键词：混凝土；圆形截面；解析解；氯离子扩散；耐久性
中图分类号：TU528．01 文献标志码：A 文章编号：1009—640X(2012)06—0038—06
水运工程和海工建筑物如跨海大桥、海港码头等，通常采用钢筋混凝土结构，而海水中氯离子的侵蚀会
导致结构中的钢筋锈蚀膨胀，从而造成混凝土结构腐蚀破坏．因此，探求氯离子扩散和分布规律是海工建筑
物服役寿命预测和耐久性设计的关键．
混凝土中氯离子扩散的解析解法能给出海工建筑物中局部位置的氯离子浓度分布规律，并为研究混凝
土结构的服役寿命、水运工程和海工建筑物耐久性设计提供理论依据．Callepardi 利用 Fick第二定律研究
建立了混凝土中氯离子一维扩散的控制方程．Takewake 、姚诗伟分别得到了氯离子一维扩散的解析解．
Suryavanshi_4 建立了半无限域氯离子二维扩散的误差函数形式解析解．杨绿峰等考虑扩散系数的时变特
性推导出了氯离子一维、二维扩散的时变解析解．孙伟等研究了无限域和有限域氯离子扩散问题的理论
模型，建立了多维多因素氯离子扩散控制方程，并推导了傅里叶解析解．
然而，实际混凝土结构中部分构件的截面为圆形，金祖权等调查研究了具有圆环截面的海底隧道衬
砌?昆凝土在多种因素下的冻融损伤，其中氯离子的腐蚀是其损伤的主要耦合因素之一，其它如跨海大桥的桥
墩、海港码头承力柱等，它们同样面临严重的氯离子腐蚀问题．王显利等基于有限差分法研究了圆形截面
的氯离子扩散规律，分析了其耐久性，并开展了相应的实验研究工作 ¨ ．解析解法使用简单，通常作为实验
研究、数值方法的主要验证工具，而目前混凝土中氯离子的一维、二维扩散解析解都不适合用来描述氯离子
沿圆形截面周边向混凝土内部扩散的问题，因此有必要开展圆形截面混凝土构件的氯离子扩散和浓度分布
规律的解析研究．
圆形截面的氯离子扩散为平面扩散，其控制方程为二维扩散控制方程，本文根据二维扩散控制方程建立
了氯离子沿圆柱构件周边向混凝土内部扩散的极坐标方程，并利用贝塞尔函数简化计算公式建立了圆形截
面混凝土构件中氯离子浓度分布的解析解．