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圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型

汪加梁 杨绿峰 余波

汪加梁, 杨绿峰, 余波. 圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型[J]. 水利水运工程学报, 2019, (5): 76-84. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010
引用本文: 汪加梁, 杨绿峰, 余波. 圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型[J]. 水利水运工程学报, 2019, (5): 76-84. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010
WANG Jialiang, YANG Lufeng, YU Bo. Analytical model for time-dependent chloride diffusion in circular section concrete[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019, (5): 76-84. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010
Citation: WANG Jialiang, YANG Lufeng, YU Bo. Analytical model for time-dependent chloride diffusion in circular section concrete[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019, (5): 76-84. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010

圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51668008

国家自然科学基金资助项目 51678165

详细信息
    作者简介:

    汪加梁(1983―), 男,湖南永州人,博士研究生,主要从事氯离子环境中混凝土结构耐久性研究。E-mail:550138088@qq.com

    通讯作者:

    余波(E-mail:gxuyubo@gxu.edu.cn)

  • 中图分类号: TU528.01

Analytical model for time-dependent chloride diffusion in circular section concrete

  • 摘要: 为了克服传统常扩散解析模型无法考虑氯离子扩散系数时变特性所存在的缺陷,研究建立了圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型。在极坐标系中建立了圆形截面混凝土中氯离子时变扩散的控制方程、边界条件和初始条件,然后通过引入等效扩散时间将氯离子的时变扩散方程转化为常扩散方程,进而结合贝塞尔函数和变量代换法,建立了圆形截面混凝土中氯离子时变扩散的解析模型,并与数值模型和常扩散解析模型进行对比验证。分析结果表明,该解析模型具有较高计算精度和计算效率,不仅可以克服数值模型对空间离散网格和时间步长的依赖性,而且还可以克服常扩散模型由于忽略氯离子扩散系数时变性而高估混凝土中氯离子质量分数所存在的缺陷;圆形截面混凝土中的氯离子质量分数分布介于一维和二维扩散之间,随着圆形截面半径和龄期衰减系数的增大逐渐趋近于一维扩散情况。
  • 图  1  圆形截面混凝土构件及其氯离子暴露条件

    Figure  1.  Circular section concrete members and their chloride exposure conditions

    图  2  解析模型和数值模型所计算的氯离子质量分数分布比较

    Figure  2.  Comparison between chloride concentration distribution calculated by analytical and numerical models

    图  3  贝塞尔函数零点个数对解析模型计算精度的影响

    Figure  3.  Effects of zero numbers of zero-order Bessel functions on accuracy of analytical model

    图  4  氯离子扩散系数时变性对氯离子质量分数分布的影响

    Figure  4.  Effects of time-dependent chloride diffusion coefficients on chloride concentration distribution

    图  5  圆形截面半径对氯离子质量分数分布的影响

    Figure  5.  Effect of cross-section radius on chloride concentration distribution

    表  1  空间离散网格和时间步长对数值模型计算精度与计算效率的影响

    Table  1.   Influences of spatial discrete grids and time steps on calculation accuracy and efficiency of numerical model

    Δx/mm 氯离子质量分数计算值/% 计算耗时/s
    Δt=5.00 a Δt=1.00 a Δt=0.50 a Δt=0.10 a Δt=0.05 a Δt=5.00 a Δt=1.00 a Δt=0.50 a Δt=0.10 a Δt=0.05 a
    25.0 0.880 1.008 1.039 1.074 1.080 2.64 8.77 17.05 87.75 170.28
    10.0 0.827 0.969 1.002 1.041 1.047 5.88 24.38 47.67 233.33 479.36
    5.0 0.819 0.964 0.997 1.036 1.043 19.06 79.90 153.12 753.75 1 519.75
    2.5 0.818 0.963 0.996 1.035 1.042 61.65 270.80 546.13 2 844.46 5 392.50
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    表  2  不同n, t和半径情况下圆形截面与一维扩散的氯离子质量分数相对误差

    Table  2.   Relative errors of chloride concentration between 1D diffusion and circular cross-section with different n, t and radius

    %
    半径/mm n=0.2 n=0.4 n=0.6
    t=30 a t=50 a t=100 a t=30 a t=50 a t=100 a t=30 a t=50 a t=100 a
    700 5.937 6.072 6.209 5.162 5.562 5.852 2.029 3.167 4.363
    800 5.122 5.234 5.344 4.459 4.802 5.051 1.753 2.737 3.769
    900 4.504 4.600 4.691 3.924 4.226 4.442 1.545 2.409 3.318
    1 000 4.019 4.103 4.181 3.504 3.773 3.965 1.407 2.154 2.963
    1 100 3.629 3.702 3.770 3.165 3.407 3.580 1.288 1.950 2.677
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    表  3  不同D0, Cs和半径情况下圆形截面与一维扩散的氯离子质量分数相对误差

    Table  3.   Relative errors of chloride concentration between 1D diffusion and circular cross-section with different D0, Cs and radius

    %
    半径/mm D0=2×10-12 m2/s D0=6×10-12 m2/s D0=10×10-12 m2/s
    Cs=2.0% Cs=3.5% Cs=5.0% Cs=2.0% Cs=3.5% Cs=5.0% Cs=2.0% Cs=3.5% Cs=5.0%
    700 0.441 0.748 1.024 4.079 4.832 5.204 5.000 5.511 5.739
    800 0.380 0.644 0.882 3.523 4.173 4.500 4.316 4.757 4.954
    900 0.383 0.584 0.799 3.101 3.673 3.956 3.797 4.185 4.358
    1 000 0.384 0.651 0.106 2.769 3.280 3.532 3.390 3.736 3.890
    1 100 0.341 0.578 0.791 2.501 2.962 3.191 3.061 3.374 3.513
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  • [1] 王胜年, 汤雁冰, 杨海成, 等.基于长期性能观测的海工混凝土结构耐久性研究的新思路[J].水运工程, 2017(10): 60-66. doi:  10.3969/j.issn.1002-4972.2017.10.012

    WANG Shengnian, TANG Yanbing, YANG Haicheng, et al. New idea on durability study of marine concrete structure based on long-term property observation [J]. Port and Waterway Engineering, 2017(10): 60-66. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1002-4972.2017.10.012
    [2] COLLEPARDI M. Penetration of chloride ions into cement pastes and concrete[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1972, 55(10): 534-535. doi:  10.1111/j.1151-2916.1972.tb13424.x
    [3] SURYAVANSHI A K, SWAMY R N, CARDEW G E. Estimation of diffusion coefficients for chloride ion penetration into structural concrete[J]. ACI Materials Journal, 2002, 99(5): 441-449. http://cn.bing.com/academic/profile?id=8b288abef84945d571b6dc6c12ecc836&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [4] 窦雪梅, 余红发, 麻海燕, 等.珊瑚混凝土在海洋环境中氯离子扩散实验[J].海洋工程, 2017, 35(1): 129-135. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hygc201701015

    DOU Xuemei, YU Hongfa, MA Haiyan, et al. Experiment on chloride diffusion coefficient of coral concrete exposed to marine environment[J]. The Ocean Engineering, 2017, 35(1): 129-135. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hygc201701015
    [5] CASTALDO P, PALAZZO B, MARINIELLO A. Effects of the axial force eccentricity on the time-variant structural reliability of aging r.c. cross-sections subjected to chloride-induced corrosion[J]. Engineering Structures, 2017, 130: 261-274. doi:  10.1016/j.engstruct.2016.10.053
    [6] JUSTNES H, KIM M O, NG S, et al. Methodology of calculating required chloride diffusion coefficient for intended service life as function of concrete cover in reinforced marine structures[J]. Cement and Concrete Composites, 2016, 73: 316-323. doi:  10.1016/j.cemconcomp.2016.08.006
    [7] ZHANG J Z, ZHENG Y Y, WANG J D, et al. Chloride transport in concrete under flexural loads in a tidal environment[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2018, 30(11): 04018285(1-11). doi:  10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002493
    [8] ZHANG J Z, GUO J, LI D H, et al. The influence of admixture on chloride time-varying diffusivity and microstructure of concrete by low-field NMR[J]. Ocean Engineering, 2017, 142(9): 94-101. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=0419b3cac41bbaaa1626ab7f65e08314
    [9] MAAGE M, HELLAND S, POULSEN E, et al. Service life prediction of existing concrete structures exposed to marine environment[J]. ACI Materials Journal, 1996, 93(6): 602-608. http://cn.bing.com/academic/profile?id=a31434fcf350d290a3394b2c2faff25b&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [10] WANG Y, WU L, WANG Y, et al. Prediction model of long-term chloride diffusion into plain concrete considering the effect of the heterogeneity of materials exposed to marine tidal zone[J]. Construction and Building Materials, 2018, 159: 297-315. doi:  10.1016/j.conbuildmat.2017.10.083
    [11] TANG L P, GULIKERS J. On the mathematics of time-dependent apparent chloride diffusion coefficient in concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37(4): 589-595. doi:  10.1016/j.cemconres.2007.01.006
    [12] 余红发, 孙伟, 麻海燕, 等.混凝土在多重因素作用下的氯离子扩散方程[J].建筑材料学报, 2002, 5(3): 240-247. doi:  10.3969/j.issn.1007-9629.2002.03.008

    YU Hongfa, SUN Wei, MA Haiyan, et al. Diffusion equations of chloride ion in concrete under the combined action of durability factors[J]. Journal of Building Materials, 2002, 5(3): 240-247. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-9629.2002.03.008
    [13] LIANG M T, WANG K L, LIANG C H. Service life prediction of reinforced concrete structures[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(9): 1411-1418. doi:  10.1016/S0008-8846(99)00109-X
    [14] 杨绿峰, 胡春燕, 陈正, 等.混凝土中氯离子随机时变扩散过程和浓度分布[J].建筑材料学报, 2013, 16(2): 210-216. doi:  10.3969/j.issn.1007-9629.2013.02.005

    YANG Lufeng, HU Chunyan, CHEN Zheng, et al. Stochastic and time-dependent diffusion of chloride ion in concrete and its concentration distribution[J]. Journal of Building Materials, 2013, 16(2): 210-216. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-9629.2013.02.005
    [15] YANG L F, MA Q, YU B. Analytical solution and experimental validation for dual time-dependent chloride diffusion in concrete[J]. Construction and Building Materials, 2018, 161: 676-686. doi:  10.1016/j.conbuildmat.2017.11.176
    [16] 王显利, 吴智敏, 郑建军.氯离子侵蚀圆形截面钢筋混凝土结构耐久性分析[J].东北林业大学学报, 2006, 34(2): 76-77, 108. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2006.02.028

    WANG Xianli, WU Zhimin, ZHENG Jianjun. Durability analysis of reinforced concrete structure with circular section under chlorine anion corrosion[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2006, 34(2): 76-77, 108. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2006.02.028
    [17] 唐敏康, 王霆, 何勇, 等.圆形截面下混凝土中氯离子扩散的数值模拟[J].有色金属科学与工程, 2015, 6(3): 105-110. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxysjs201503020

    TANG Minkang, WANG Ting, HE Yong, et al. Numerical simulation of chloride ions diffusion at circular cross-section concrete[J]. Nonferrous Metal Science and Engineering, 2015, 6(3): 105-110. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxysjs201503020
    [18] 周明, 杨绿峰, 陈正, 等.圆柱体混凝土构件中氯离子扩散的解析研究[J].水利水运工程学报, 2012(6): 38-43. doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2012.06.007

    ZHOU Ming, YANG Lufeng, CHEN Zheng, et al. Chloride diffusion in concrete component with circular section[J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(6): 38-43. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2012.06.007
    [19] 杨博, 李镜培, 岳著文.氯离子在混凝土桩中扩散的解析解[J].低温建筑技术, 2013, 35(2): 79-80. doi:  10.3969/j.issn.1001-6864.2013.02.032

    YANG Bo, LI Jingpei, YUE Zhuwen. Analytical solution of chloride ion diffusion in concrete piles[J]. Low Temperature Architecture Technology, 2013, 35(2): 79-80. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-6864.2013.02.032
    [20] 杨绿峰, 李冉.混凝土中氯离子二维扩散规律的解析研究[J].水利水电科技进展, 2009, 29(3): 20-23. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slsdkjjz200903006

    YANG Lufeng, LI Ran. Analytical study of two-dimensional diffusion of chloride ion in concrete[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2009, 29(3): 20-23. (in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slsdkjjz200903006
  • [1] 康春涛, 贡力, 王忠慧, 杨轶群, 王鸿.  基于灰色残差GM(1,1)-Markov模型的水工混凝土劣化预测研究 . 水利水运工程学报, 2020, (): 1-9. doi: 10.12170/20200228002
    [2] 张秋宇, 王立成.  基于能量法的水环境混凝土疲劳裂缝扩展模型 . 水利水运工程学报, 2020, (3): 106-113. doi: 10.12170/20190303001
    [3] 苏晓栋, 陈灿明, 郭壮, 何建新, 徐静文.  混凝土双轴弹模-徐变试件垫层效果试验分析 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 103-111. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.013
    [4] 延永东, 刘荣桂, 陆春华, 陈妤.  沿海服役混凝土结构氯离子质量分数检测和分析 . 水利水运工程学报, 2018, (4): 106-111.
    [5] 赵井辉, 刘福胜, 韦梅, 程明.  花岗岩石粉细度及掺量对混凝土微观孔隙的影响 . 水利水运工程学报, 2016, (2): 39-45.
    [6] 江培情, 王立成.  基于Ottosen模型的混凝土多轴动态强度准则 . 水利水运工程学报, 2015, (1): 74-81.
    [7] 洪斌.  基于可靠度随机有限元法的海洋混凝土结构耐久性分析 . 水利水运工程学报, 2014, (2): 26-32.
    [8] 莫卓凯, 董伟, 吴智敏, 曲秀华.  混凝土K-R阻力曲线的实用解析方法 . 水利水运工程学报, 2014, (3): 9-17.
    [9] 王廷伟, 贡金鑫, 吴志良, 朱晓瑜.  圆形截面钢管钢筋混凝土构件承载力的计算 . 水利水运工程学报, 2014, (3): 18-25.
    [10] 赵联桢, 杨平, 刘成.  混凝土早期力学性能试验研究 . 水利水运工程学报, 2013, (1): 35-40.
    [11] 吴烨,朱雅仙,刘建忠.  混凝土氯离子扩散系数时变性规律与计算模型适用性分析 . 水利水运工程学报, 2012, (3): 50-55.
    [12] 周明,杨绿峰,陈正,蒋琼明,洪斌,胡春燕.  圆柱体混凝土构件中氯离子扩散的解析研究 . 水利水运工程学报, 2012, (6): 38-43.
    [13] 林凯生,李宗利.  高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型 . 水利水运工程学报, 2010, (2): -.
    [14] 张俊芝,王建泽,孔德玉,邹传仁,黄海珍.  既有水工混凝土氯离子扩散系数的时变模型 . 水利水运工程学报, 2010, (2): -.
    [15] 魏巍巍,贡金鑫,李龙.  圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算 . 水利水运工程学报, 2008, (3): -.
    [16] 姚昌建,金伟良,王海龙,金立兵,延永东.  海工混凝土氯离子扩散系数随深度的变化规律 . 水利水运工程学报, 2008, (4): -.
    [17] 贲能慧,任旭华,许朴.  复杂多滑动面混凝土重力坝稳定分析与安全评价 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [18] 魏巍巍,贡金鑫,李龙.  使用荷载下圆形截面钢筋混凝土构件钢筋应力的计算 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [19] 王立成.  氯盐环境下钢筋混凝土结构使用寿命评价的研究进展 . 水利水运工程学报, 2004, (4): 54-60.
    [20] 叶铭勋,胡竹魂.  氯离子扩散系数的测定 . 水利水运工程学报, 1986, (4): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-16
  • 刊出日期:  2019-10-01

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