海水波动对混凝土中氯离子传输规律的影响研究

论文摘要

本文在综述既有文献成果的基础上,综合运用物理模型试验、数值模拟和理论方法,研究了海水波动作用下混凝土氯离子传输规律与特征,主要工作和结论如下:(1)基于自主研发的海洋环境模拟装置,建立了模拟海浪的生成制度,形成了不同作用工况的模拟海浪;测试并分析了模拟海浪多场流速时频分布特征,为已知流速作用前提下开展混凝土氯离子传输规律分析及其性能参数辨识,奠定了试验基础。(2)基于Fluent湍流模型对模拟流场进行了数值模拟,完善了试验流场流速分布的时变信息,初步获取了流场流速与压强的正向关系,为解析海水波动加速混凝土氯离子传输提供了依据。(3)试验研究了海洋混凝土构件浪溅区和水下区氯离子传输的时空变化特征。结果表明,海浪模拟装置的同一转动工况下,水下区混凝土氯离子较浪溅区传输快,尽管后者流速较大。(4)研究了不同流速及静水浸泡作用下氯离子传输规律,获得了海浪波动加速混凝土氯离子传输的试验证据。结果表明,结构同一水位分区混凝土中,氯离子传输随流速增加而增大,动水显著大于静水工况下的氯离子浓度。(5)以Fick第二定律为框架,进行了波动条件下混凝土表面氯离子浓度和扩散系数的参数拟合与辨识;与试验结果相比,获得了高精度的拟合优度。引入速度影响函数,建立了考虑海水流速和时变因素的表面氯离子浓度模型和扩散系数模型。(6)利用MATLAB输出骨料随机模型,通过COMSOL软件建立了考虑了时间、流速、温度和湿度等因素的氯离子传输模型,并基于模型进行规律探讨,进而开展了参数敏感度分析。结果表明,随着时间的增加,氯离子含量增加,但增长率逐步减小,且混凝土柱外侧增长率大于内侧增长率;静水传输与动水传输表现出显著差异,且随流速增大,时间的增加,动水与静水之间传输差异会进一步增大。

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Abstract

第1章绪论

1.1 选题来源与研究意义

1.1.1 选题来源

1.1.2 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 氯离子传输机制

1.2.2 氯离子传输模型

1.2.3 海洋混凝土中氯离子传输

1.3 主要研究内容

1.4 本文的研究技术路线

第2章海洋混凝土模拟流场测试与数值分析

2.1 引言

2.2 海洋流场模拟测试装置与方法

2.2.1 试验装置与试验环境

2.2.2 模拟海浪流速测试

2.3 基于试验测试的流场数据分析

2.3.1 不同传输面流速对比

2.3.2 不同深度流速对比

2.3.3 不同工况下流速对比

2.3.4 试验流场与真实海浪对比

2.4 基于傅里叶变换的流速分析

2.4.1 浪溅区流速傅里叶变换结果

2.4.2 水下区流速傅里叶变换结果

2.5 基于Fluent的流场数值模拟

2.5.1 流体动力学理论基础

2.5.2 CFD建模求解

2.5.3 流场分析

2.6 本章小结

第3章海洋环境下氯离子传输模拟试验

3.1 引言

3.2 试件原材料基本性能测试与准备

3.2.1 自来水的含氯测试

3.2.2 水泥成分测试

3.2.3 砂基本性能测试

3.2.4 粗骨料基本性能测试

3.2.5 混凝土配合比设计

3.2.6 混凝土制备与强度测试

3.3 动态水流下氯离子传输试验

3.3.1 试验试件

3.3.2 试验溶液

3.3.3 试验步骤

3.4 静态水流下氯离子传输试验

3.4.1 试验试件

3.4.2 试验溶液

3.4.3 试验步骤

3.5 试验结果分析讨论

3.5.1 氯离子传输时间规律

3.5.2 氯离子传输空间规律

3.5.3 海水流速对氯离子传输影响

3.6 本章小结

第4章海洋环境下氯离子传输模型

4.1 引言

4.2 表面氯离子浓度模型建立

4.2.1 表面氯离子浓度求解

4.2.2 表面氯离子浓度计算模型

4.2.3 基于模型的规律预测

4.3 考虑流速与时变影响的氯离子扩散系数模型

4.3.1 基于试验数据的扩散系数拟合

4.3.2 扩散系数速度影响函数求解

4.3.3 基于时间-速度扩散系数模型的规律预测

4.4 氯离子侵蚀理论机理与传输模型

4.4.1 混凝土中氯离子传输机理

4.4.2 不同因素对混凝土扩散系数的影响

4.4.3 多因素氯离子扩散系数修正模型

4.5 基于COMSOL的氯离子侵蚀混凝土数值模拟

4.5.1 混凝土随机骨料模型

4.5.2 COMSOL模型建立与参数设定

4.5.3 模型计算结果

4.5.4 模型数据与实测值对比验证

4.5.5 COMSOL模型计算与菲克定律解析解对比

4.6 基于COMSOL数值模型的规律分析

4.6.1 氯离子传输时间规律

4.6.2 流速对氯离子传输性能的影响

4.6.3 参数敏感度分析

4.7 本章小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕攀

导师: 李大望

关键词: 海洋混凝土,模拟海浪,流速作用,氯离子传输,性能参数辨识

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,无机化工,建筑科学与工程

单位: 深圳大学

基金: 国家自然科学基金项目“滨海混凝土结构耐久性研究(51520105012)”和“锈蚀钢筋混凝土结构的形态演化与服役可靠性研究(51278303)”

分类号: P75;TU528

总页数: 110

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