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摘 要

钢筋混凝土结构目前在我国被广泛采用，而随着海洋资源的开发，不少混凝土结构处于比较恶劣的服役环境中。位于浪涧区和潮汐区的混凝土处于干湿循环状态下。当不饱和混凝土处于干湿循环状态下时，氯离子会以扩散与对流方式侵入混凝土，加速混凝土内钢筋的侵蚀，使混凝土性能下降。因此，开展对干湿循环条件下混凝土中氯离子侵蚀过程的研究尤为重要。目前根据国内外学者的研究来看，主要方法包括：依据Fick定律采用宏观模型的研究，以及基于Nernst-Plank方程建立微观模型的研究，但这些方法各有缺陷：Fick定律能较好的预测具有稳定边界的饱和混凝土中氯离子的扩散，而对于干湿循环下的混凝土难以得到满意的结果；微观模型中有很多难以确定的参数，编程计算的难度较大。本文针对宏观模型方法，拟采用径向基函数配点法来求解非饱和混凝土中氯离子侵蚀问题。编制了相关的计算程序，对程序正确性进行了验证。利用编制的程序，计算了干湿循环下氯离子一维侵蚀过程。

关键词：混凝土 干湿循环 径向基函数 氯离子侵蚀

A RESEARCH ABOUT ONE-DIMENSIONAL CHLORIDE ION EROSION IN CONCRETE UNDER DRYING-WETTING CYCLES

Abstract

Currently, the reinforced concrete structures are widely used in China. With the development of marine resource, a lot of structures suffer from bad environment. The concrete which is in tidal zone or splash zone is under drying-wetting cycles. When unsaturated concrete is in drying-wetting cycles, the chloride ion will erode it by diffusion and convection, which accelerates the corrosion of the rebar in the concrete. It deteriorates the performance of concrete. So it’s very important to research the chloride ion erosion in concrete under drying-wetting cycles. According to the research from the scholars all over the world, the main methods are macro models which are based on Fick’s law and micro models which are based on Nernst-Plank equations. But both of these two methods have their own shortcoming. We can predict the diffusion of chloride ion in saturated concrete under the state of steady boundary and get good conclusion by Fick’s law. But it is difficult to obtain satisfactory results in which the chloride ion diffusion is predicted by the Fick’s law under the drying-wetting cycles. And there are too many uncertain parameters in micro models, which make the calculation by programing very difficult. In this paper, we base on macro model and try to use the method of radical basis function points collocation to solve the problem of chloride ion erosion in saturated concrete. By programming the relevant codes for calculating, we can validate that this program is correct. So with this program, we can solve the process of one-dimensional chloride ion erosion under drying-wetting cycles.

Key words: concrete drying-wetting cycles radical basis function chloride ion penetration

內容

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.3 加权残量法概述 2

1.4 区域分解法概述 4

1.5 本文内容分配 4

第二章 无网格法概述 6

2.1 采用无网格法的原因 6

2.2 强形式与弱形式 6

2.3 无网格法的定义与过程 7

2.4 无网格法的分类 8

2.5 无网格法的现状与发展 8

第三章 径向基函数配点法求解验证性算例 9

3.1 形函数的选择 9

3.2 径向基函数概述 9

3.3 配点法概述 9

3.4 计算方案设计 10

3.5 验证算例 13

3.6 结果分析 15

第四章 径向基函数配点法求解一维湿润与干燥过程 18

4.1 一维湿润过程求解方案 18

4.2 一维干燥过程求解方案 19

第五章 径向基函数配点法求解干湿循环问题 21

5.1 干湿循环问题求解方案 21

结论 23

致谢 24

参考文献 25

附录 26

第一章 绪论

1.1 引言

钢筋混凝土(Reinforced Concrete)结构兼具了钢筋与混凝土的优点，在全世界被广泛采用^[1]。由于混凝土化学性质稳定，同时可以保护内部钢筋，所以在相当长的一段时间内，人们忽视了影响混凝土结构耐久性的各种因素^[2]。随着时间的推移，人们发现其混凝土结构的使用寿命有时并不能达到我们预估的年限。钢筋混凝土结构耐久性劣化的原因很多，可能是设计时抗力不足，也可能是遇到极其不利、超出预期的载荷变化。但是，混凝土内部的钢筋锈蚀所造成的影响是最大的。我国是发展中大国，正面临着空前的基础建设，不能在迎来“大建”之后不久就要解决“大修”的问题。如果前期不重视混凝土结构的设计阶段，后期的维修对于资金和人力的消耗都是极大的^[3]。想要在提高混凝土耐久性的课题上有所突破，那么对氯离子侵蚀的研究自然不可忽视。

在干湿循环下混凝土处于不饱和状态。氯离子通过扩散和对流行为侵入混凝土，这加速了混凝土中增强体的侵蚀，降低了强化混凝土结构的性能。所以我们十分有必要去了解干湿循环状态下的氯离子传输过程。Fick第二定律在一般情况下能很好的预估出不饱和混凝土的氯离子扩散。但是在处于干湿循环下通过Fick第二定律预估的氯离子传输集度很难得到满意的结果，例如处于浪溅区和潮间带的混凝土结构。近几年研究不饱和混凝土中的氯离子传输的方法由几个学者在推动。但是对于浅湿区的混凝土的氯离子的描述还不够详尽。浅湿区混凝土的氯离子传输的计算精度依赖于水分传输过程描述的精度。因此预估氯离子集度是一个需求，因为合理的氯离子传输模型已经根据氯离子传输机理推动并且渗透速率方程已经能被精确计算。于此同时，模型，边界条件以及氯离子扩散是准确预估处于干湿循环的混凝土氯离子集度的关键因素。

1.2 研究背景

我国的发展离不开海洋资源的利用，码头、海底隧道等都有混凝土结构的身影。因此不少的混凝土结构处于海洋环境中。由于水体中的高氯盐含量，和干湿循环等多种因素的影响，它们处于相当恶劣的工作条件之中。混凝土中的高碱性孔溶液可以使钢筋钝化，让其抵挡锈蚀，而氯离子的侵入会让这种钝化部分或全部破坏。就算保护层较厚，氯离子从表层侵入内部钢筋也只是时间问题。所以氯离子引发的问题不容小觑。根据位置以及暴露条件，这样的混凝土构件大致可分为盐雾区，浪涧区，潮汐区和水下区。其中，浪涧区和潮汐区的混凝土处于干湿循环的工作条件下。处于这种环境条件下的混凝土，氯离子对其侵入的速度更快^[4]。在干湿循环下，氯离子主要通过浓度梯度下的扩散，湿度梯度下的毛细吸收等方式侵入混凝土。在不同的情况下主要传输的方法也不同；若混凝土孔隙不饱和，主要通过毛细吸收；若混凝土孔隙饱和，则以扩散为主。对于浪涧区和潮汐区等处于干湿循环下的区域而言，由于其表面含水量不断变化，其内部含水量较为稳定，所以在其表面主要靠毛细吸收，在其内部以扩散为主^[5]。

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