| 标题 | 混凝土结构孔隙侵蚀数值模拟 |
| 范文 | 葛金金等 摘要：混凝土材料所具有的多孔隙结构是由其本身的物理、化学性质所决定的，而孔隙结构又决定了混凝土整体的强度和渗透性。将混凝土复杂的孔隙结构简化为单根毛细管，根据Fick定律和质量守恒原理推导出混凝土孔隙溶解控制方程，并运用Bear理论中关于多孔介质毛细孔渗透率的研究理论及饱和溶质运移扩散方程建立侵蚀模型。模拟结果表明，该模型能够有效地反映混凝土孔隙中固相钙离子溶解、浓度变化和孔隙边壁侵蚀厚度变化过程。 关键词：混凝土；孔隙结构；侵蚀模型；数值模拟 中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号： 16721683（2014）05003204 Numerical simulation of pore erosion in concrete structure GE Jinjin1，ZHAN Meili1，WU Jinping2，SHENG Jinchang1，ZHANG Yu3 （1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Lower Reaches of the Changjiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Changjiang Water Resources Commission Bureau，Nanjing 210011，China；3.Guangdong Hydropower Planning and Design Institute，Guangzhou 510635，China） Abstract：The concrete material has a porous structure due to its own physical and chemical properties，and the pore structure determines the strength and permeability of concrete.In this paper，the complex porous structure of concrete was simplified to the single capillary.According to the Fick's law and mass conservation principle，the dissolution equation of concrete pores was obtained，and the erosion model was established based on the research of capillary permeability of porous medium in Bear theory and saturated solute transport diffusion equations.The simulation results showed that the model can reflect the variations of dissolution and concentration of solid phase calcium ions and erosion thickness of side wall in pores. Key words：concrete；porous structure；erosion model；numerical simulation 混凝土结构的侵蚀是指在流动的软水或具有侵蚀性的溶液作用下，混凝土孔隙边壁固相水化物钙离子自动剥落或与侵蚀性水溶液中的其它离子发生交换、扩散、迁移，从而造成了钙离子从混凝土结构中缓慢流失的现象，这是坝体、坝基破坏的重要原因之一[13]。因此研究混凝土侵蚀机理，建立混凝土孔隙侵蚀溶解模型，预测混凝土侵蚀程度，具有重要的理论和实际意义。 目前，模拟混凝土侵蚀过程的数值模型比较少。其中，Gérard模型[4]是由热力学理论发展而来的，其基本原理如下：混凝土内部孔隙固相与液相之间存在的浓度梯度，在液相石灰浓度未能达到各自水化物的极限浓度的情况下，该浓度梯度促使混凝土固相水化物（氢氧化钙、水化硅酸钙等）中钙离子溶解并向外扩散，因此根据溶出液中钙离子的浓度变化就可以判断混凝土受侵蚀的程度。Gérard模型的缺点是未能考虑混凝土孔隙液相中钙离子浓度的动态平衡。Detlef[5]等人针对混凝土水泥基质是不均匀混合体的性质，发展了一种关于骨架孔隙溶液中的钙离子浓度平滑函数，用于模拟对孔隙框架内基质扩散率、孔隙率以及表面扩散率等控制性参数，其局限性是没有考虑到对流项的传递，而是只考虑孔隙中的扩散问题。 本文在分析混凝土渗流侵蚀机理的基础上，避开以往对混凝土表面侵蚀的研究方式[67]，分别建立孔隙边壁溶解方程、溶质运移扩散方程和渗流方程，最后形成混凝土侵蚀溶解、扩散控制模型，模拟并分析混凝土孔隙中固相钙离子溶解、浓度变化和孔隙边壁侵蚀厚度变化规律。 1 混凝土渗透侵蚀模型 混凝土作为多孔介质，虽然具有较复杂的孔隙结构，但对其内部结构被溶液侵蚀的机理可以简化为一个单根毛细孔隙的侵蚀过程[89]。由于毛细管壁在化学渗透水流的作用下发生了侵蚀溶解，同时侵蚀析出的钙离子在对流、扩散的作用下运移，使得毛细管中钙离子浓度发生变化，毛细管中不同位置钙离子的浓度会影响该处水化物进一步侵蚀的速度。 1.1 孔隙边壁溶解方程 混凝土结构中的毛细孔主要是由于混凝土中的水泥基质经过水解作用引起的。采用Bear理论所提到的直平行毛细管结构对毛细孔结构进行模拟，并做出以下假设。 （1）毛细管道中的渗流为层流。 （2）管壁水化物为均质，溶解特性为各向同性。 （3）毛细管道中溶解后所产生的不可溶杂质不会沉淀堆积在管道中堵塞管道。 （4）固相水化物的溶解过程相对于扩散过程时间很短，忽略钙离子的溶解时间。 （5）不可溶质对离子扩散运移的影响忽略不计。 （6）忽略水泥水化温度的变化。 3 结语 本文从内部孔隙边壁溶解的角度对混凝土孔隙进行侵蚀数值模拟，建立了溶解、扩散和渗流耦合控制方程。模拟发现，渗透水压力对结构内部孔隙的溶解影响很大，水压力越大孔隙越容易受到侵蚀溶解，且在相同压力下，边壁的侵蚀厚度与时间成线性关系，该模型可作为预测混凝土内部侵蚀程度的参考。 但是，本文对混凝土孔隙侵蚀的数值研究并未考虑孔隙率、孔径分布等因素的影响，如若考虑孔隙率、孔径分布对混凝土孔隙侵蚀过程的影响则可能产生的结果为：（1）混凝土孔隙率越大，其渗透系数越大，在水溶液作用下，混凝土孔隙侵蚀过程中产生的钙离子会被更多的带走渗出，因此，孔隙中的钙离子浓度达到平衡需要更长的时间，水溶液对孔隙边壁的侵蚀程度亦会更深；（2）混凝土孔隙侵蚀过程中产生的水化产物会改变混凝土的孔径分布，大孔被水化产物填充而变小，小孔则变得更小[15]。孔径分布在变化的过程中，由于混凝土孔径普遍减小，孔隙中的钙离子会更快地达到动态平衡，进而阻止水溶液对孔隙边壁的进一步侵蚀。因此未来需继续研究混凝土孔隙率、孔径分布等因素对混凝土孔隙侵蚀过程的影响，以期更加准确的揭示混凝土孔隙的侵蚀规律。 参考文献（References）： [1] 冯乃谦.高性能混凝土技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1996：2328.（FENG Naiqian.High performance concrete technology[M].Beijing：China Building Industry Press，1996：2328（in Chinese）） [2] 孙登峰.水工混凝土老化原因分析及处理措施[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2007（1）：5152.（SUN Dengfeng.Hydraulic concrete ageing analysis of the causes and treatment measures[J].Journal of Anhui Technical College of Water Resources And Hydropower，2007（1）：5152.（in Chinese）） [3] 杨国兴，周晶，张华.混凝土老化问题的探讨[J].黑龙江水利科技.1996（2）：115140.（YANG Guoxing，ZHOU Jing，ZHANG Hua.Concrete ageing problems[J].Heilongjiang Province Water Conservancy Science And Technology，1996（2）：115140.（in Chinese）） [4] B Gérard，C Le Bellego，O.Bernard simplified modeling of calcium leaching of concrete in various environment[J].Material and structures，Journal 2002：5878. [5] Detlef Kuhl，Falko Bangert，Gǔnther Meschke.An Extension of Damage Theory to Coupled ChemoMechanical Processes[A].Barcelona.European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering[C].ECCOMAS 2000，2000：123. [6] 张岚.基于OpenSees的方钢管混凝土柱滞回性能数值模拟[J].钢结构，2013，28（10）：611.（ZHANG Lan.Numerical simulation of hysteretic behavior for concretefilled rectangular steel tubular columns under cyclical loading base on opensees[J].Steel，2013，28（10）：611.（in Chinese）） [7] 张连有.基于非线性有限元数值模拟的水工建筑物中轻骨料混凝土结构破坏特性分析[J].内蒙古水利，2013（6）：56.（ZHANG Lianyou.Analysis based on nonlinear finite element numerical simulation of hydraulic structures in lightweight aggregate concrete structural damage charateristics[J].Inner Mongolia Water Resources，2013（6）：56.（in Chinese）） [8] 周辉，汤艳春，胡大伟.盐岩裂隙渗流溶解耦合模型及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006（25）：946950.（ZHOU Hui，TANG Yanchun，HU Dawei.Rock salt seepagedissolution coupled model and experimental research[J].Rock Mechanics and Engineering，2006（25）：946950.（in Chinese）） [9] 孙粤琳.岩体裂缝扩展的渗流应力耦合分析模型[J].水利学报，2007：334339.（SUN Yuelin.Rock crack propagation seepagestress coupling analysis model[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007：334339（in Chinese）） [10] 梁卫国，赵阳升.盐岩体储库裂缝流体渗流数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报，2007（26）：4648.（LIANG Weiguo，ZHAO Yangsheng.Numerical simulation of rock salt reservoir fluid seepage cracks[J].Journal of Liaoning University of Engineering and Technology，2007（26）：4648.（in Chinese）） [11] Modeling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes[J].Concrete Composites，1999，21：181188. [12] 郭东屏，张石峰.渗流理论基础[M].陕西：陕西科学技术出版社，1994：116123.（GUO Dongpin，ZHANG Shifeng.Percolation theory foundation[M].Shanxi：Shanxi Science and Technology Press，1994：116123.（in Chinese）） [13] 徐鹏，邱淑霞，姜舟婷.各向同性多孔介质中KozenyCarman常数的分形分析[J].重庆大学学报.2011（4）：7882.（XU Peng，QIU Shuxia，JIANG Zhouting.Isotropic porous media kozeny carman constant fractal analysis[J].Journal Of Chongqing University.2011（4）：7882.（in Chinese）） [14] 刘江涛，廖东良，葛新民.基于KozenyCarman方程的水相相对渗透率计算方法[J].科学技术与工程，2012（29）：75007504.（LIU Jiangtao，LIAO Dongliang，GE Xinmin.Based on the kozeny carman equation calculation method of the relative permeability to water[J].Science，Technology And Engineering，2012（29）：75007504.（in Chinese）） [15] 罗学波，李浩璇，冯庆革.混凝土孔径分布模型及其应用[J].混凝土，2011（6）：1214.（LUO Xuebo，LI Haoxuan，FENG Qinge.Concrete pore size distribution model and its application[J].Concrete，2011（6）：1214.（in Chinese）） [9] 孙粤琳.岩体裂缝扩展的渗流应力耦合分析模型[J].水利学报，2007：334339.（SUN Yuelin.Rock crack propagation seepagestress coupling analysis model[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007：334339（in Chinese）） [10] 梁卫国，赵阳升.盐岩体储库裂缝流体渗流数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报，2007（26）：4648.（LIANG Weiguo，ZHAO Yangsheng.Numerical simulation of rock salt reservoir fluid seepage cracks[J].Journal of Liaoning University of Engineering and Technology，2007（26）：4648.（in Chinese）） [11] Modeling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes[J].Concrete Composites，1999，21：181188. [12] 郭东屏，张石峰.渗流理论基础[M].陕西：陕西科学技术出版社，1994：116123.（GUO Dongpin，ZHANG Shifeng.Percolation theory foundation[M].Shanxi：Shanxi Science and Technology Press，1994：116123.（in Chinese）） [13] 徐鹏，邱淑霞，姜舟婷.各向同性多孔介质中KozenyCarman常数的分形分析[J].重庆大学学报.2011（4）：7882.（XU Peng，QIU Shuxia，JIANG Zhouting.Isotropic porous media kozeny carman constant fractal analysis[J].Journal Of Chongqing University.2011（4）：7882.（in Chinese）） [14] 刘江涛，廖东良，葛新民.基于KozenyCarman方程的水相相对渗透率计算方法[J].科学技术与工程，2012（29）：75007504.（LIU Jiangtao，LIAO Dongliang，GE Xinmin.Based on the kozeny carman equation calculation method of the relative permeability to water[J].Science，Technology And Engineering，2012（29）：75007504.（in Chinese）） [15] 罗学波，李浩璇，冯庆革.混凝土孔径分布模型及其应用[J].混凝土，2011（6）：1214.（LUO Xuebo，LI Haoxuan，FENG Qinge.Concrete pore size distribution model and its application[J].Concrete，2011（6）：1214.（in Chinese）） [9] 孙粤琳.岩体裂缝扩展的渗流应力耦合分析模型[J].水利学报，2007：334339.（SUN Yuelin.Rock crack propagation seepagestress coupling analysis model[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007：334339（in Chinese）） [10] 梁卫国，赵阳升.盐岩体储库裂缝流体渗流数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报，2007（26）：4648.（LIANG Weiguo，ZHAO Yangsheng.Numerical simulation of rock salt reservoir fluid seepage cracks[J].Journal of Liaoning University of Engineering and Technology，2007（26）：4648.（in Chinese）） [11] Modeling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes[J].Concrete Composites，1999，21：181188. [12] 郭东屏，张石峰.渗流理论基础[M].陕西：陕西科学技术出版社，1994：116123.（GUO Dongpin，ZHANG Shifeng.Percolation theory foundation[M].Shanxi：Shanxi Science and Technology Press，1994：116123.（in Chinese）） [13] 徐鹏，邱淑霞，姜舟婷.各向同性多孔介质中KozenyCarman常数的分形分析[J].重庆大学学报.2011（4）：7882.（XU Peng，QIU Shuxia，JIANG Zhouting.Isotropic porous media kozeny carman constant fractal analysis[J].Journal Of Chongqing University.2011（4）：7882.（in Chinese）） [14] 刘江涛，廖东良，葛新民.基于KozenyCarman方程的水相相对渗透率计算方法[J].科学技术与工程，2012（29）：75007504.（LIU Jiangtao，LIAO Dongliang，GE Xinmin.Based on the kozeny carman equation calculation method of the relative permeability to water[J].Science，Technology And Engineering，2012（29）：75007504.（in Chinese）） [15] 罗学波，李浩璇，冯庆革.混凝土孔径分布模型及其应用[J].混凝土，2011（6）：1214.（LUO Xuebo，LI Haoxuan，FENG Qinge.Concrete pore size distribution model and its application[J].Concrete，2011（6）：1214.（in Chinese）） |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。