基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，包括：建立氯离子的扩散

【技术实现步骤摘要】
基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法


[0001]本专利技术属于海工混凝土结构耐久性分析领域，具体涉及一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法。

技术介绍

[0002]我国沿海地区存在大量的混凝土结构，如跨海大桥、海底隧道和港口码头等，海洋环境中的氯离子通过扩散等方式进入混凝土内部引起钢筋锈蚀是导致混凝土结构劣化的主要因素。混凝土中的氯离子可分为以游离态存在于孔隙液中的自由氯离子，吸附于C
‑
S
‑
H凝胶表面的氯离子以及与水化产物发生化学反应的氯离子，后两者可统称为结合氯离子。只有自由氯离子才会引起钢筋的锈蚀，然而混凝土结构所处服役环境的改变，如温度的变化、外加电场的作用等会导致混凝土中的结合氯离子重新释放到孔隙液中，也会使部分自由氯离子转化为结合氯离子，进而影响自由氯离子浓度。因此，考虑环境因素对结合氯离子的影响，计算混凝土孔隙液中自由氯离子浓度，对于海洋环境下混凝土结构耐久性分析具有重要意义。
[0003]目前，一些研究通过将氯离子结合等温线或热力学模型引入Nernst
‑
Planck方程、Fick定律来建立考虑结合效应的氯离子在混凝土中扩散模型，未涉及环境因素引起的结合氯离子与自由氯离子之间的转换问题。一些通过多场耦合模型对氯离子输运的研究，只涉及到扩散以及环境因素对扩散的影响，未考虑结合效应对混凝土中自由氯离子浓度的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，考虑了不同环境因素下混凝土中结合氯离子与自由氯离子之间的转换问题，对于计算混凝土孔隙液中自由氯离子浓度，进而进行海洋环境下混凝土结构耐久性分析具有重要意义。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤一：建立氯离子的扩散
‑
反应
‑
吸附方程；
[0008]混凝土的凝胶材料与自由氯离子之间会产生化学(固结)反应和吸附现象。考虑到只有孔隙液中的自由氯离子对钢筋的腐蚀起作用，而被混凝土固结和吸附的氯离子不会引起钢筋的锈蚀，为准确分析混凝土中的自由氯离子浓度，建立氯离子的扩散
‑
反应
‑
吸附方程
[0009][0010]式中，c
f
是自由氯离子浓度，ξ
c
是化学反应进度，c
p
是吸附的氯离子浓度，t是时间，J
i
是离子通量。等号左侧项表示自由氯离子浓度的变化，等号右侧第一项表示扩散过程对浓度变化的影响，等号右侧第二项表示化学(固结)反应对浓度变化的影响，等号右侧第三
项表示吸附对浓度变化的影响。
[0011]步骤二：建立力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合本构关系；
[0012]在力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合理论中，通过不同的热力学函数可以建立不同的本构关系。其中，通过电化学Gibbs函数可建立如下力
‑
电
‑
热
‑
化(包含离子的扩散、化学反应和吸附)耦合的本构关系
[0013][0014][0015][0016][0017][0018][0019]式中，σ
ij
是应力，ε
ij
是应变，D
m
是电位移，E
m
是电场强度，μ
f
是化学势，c
f
是自由氯离子浓度，ξ
c
为化学反应进度，是化学反应亲和势，ч
p
为吸附势，c
p
是吸附的氯离子浓度，η是熵密度，θ是温度增量，θ＝T
‑
T0，T0是绝对参考温度；是弹性系数，是介电系数，分别是化学势系数、化学反应亲和势系数、吸附势系数，是温度系数；是温度系数；是耦合系数。
[0020]该本构关系可以反映出应变、电场强度、化学势、化学反应亲和势、吸附势、以及温度增量的变化对氯离子浓度的影响，也可以解释不同环境因素下，如温度的变化、外加电场的作用导致结合氯离子与自由氯离子之间发生转换，即氯离子的固结和溶解、以及吸附和脱附的现象。
[0021]步骤三：建立力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合变分模型；
[0022]基于能量守恒原理，结合运动方程、Gauss方程、氯离子的扩散
‑
反应
‑
吸附方程和热传导方程，建立适用于分析混凝土中氯离子浓度的力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合变分模型；
[0023][0024][0025][0026]式中，为动能变化率，为电化学Gibbs函数变化率，为离子扩散能变化率，为热扩散能变化率。
[0027]力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合变分模型是力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合有限元方法的理论基础。同时，该变分模型与相应的偏微分方程(组)模型是等价的，相关的控制方程和边界条件如表1所示。
[0028]表1力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合动力学的控制方程和边界条件
[0029][0030]步骤四：建立适用于分析混凝土中氯离子浓度的有限元列式；
[0031]以力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合变分模型为理论基础，应用变分方法，对步骤三中建立的力
‑
电
‑
热
‑
化(包含离子的扩散、化学反应和吸附)多场耦合变分模型的泛函取变分，并通过离散化的方法，得到适用于分析混凝土中氯离子浓度的多场模型的有限元列式
[0032][0033]其中
[0034][0035][0036]式中，
[0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045]步骤五：根据实际工况，将步骤四中建立的适用于分析混凝土中氯离子浓度的有限元列式化简并求解，进而可得到混凝土中氯离子分布情况。
[0046]所述步骤一所述的扩散
‑
反应
‑
吸附方程，可以同时描述扩散、化学(固结)反应和吸附对氯离子浓度变化的影响；步骤二所述的本构关系，可以描述应力场、电场、温度场和化学场(包含离子的扩散、化学反应和吸附)对氯离子浓度的影响；步骤三所述的多场耦合变分模型，与应力场、电场、温度场和化学场(包含离子的扩散、化学反应和吸附)的偏微分方程(组)模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：建立氯离子的扩散
‑
反应
‑
吸附方程；步骤二：建立力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合本构关系；步骤三：建立力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合变分模型；步骤四：建立适用于分析混凝土中氯离子浓度的有限元列式；步骤五：根据实际工况，将步骤四中建立的适用于分析混凝土中氯离子浓度的有限元列式化简并求解，进而可得到混凝土中氯离子分布情况。2.根据权利要求1所述的一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，其特征在于：所述建立氯离子的扩散
‑
反应
‑
吸附方程；式中，c
f
是自由氯离子浓度，ξ
c
为化学反应进度，c
p
是吸附的氯离子浓度，t是时间，J
i
是离子通量。3.根据权利要求1所述的一种基于多场耦合理论的混凝土中氯离子浓度分析方法，其特征在于：所述建立力
‑
电
‑
热
‑
化多场耦合本构关系：化多场耦合本构关系：化多...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗民，鲁浩，徐晓沐，宋海燕，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：