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兰州地铁地下水环境中钢筋混凝土通电锈蚀机理研究

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材料导报 2022年第19期36卷 114-119页

作者：乔国斌乔宏霞路承功兰州理工大学土木工程学院兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心兰州730050

针对兰州地铁一号线地下水环境含有大量侵蚀离子导致混凝土中钢筋过早锈蚀的问题,本工作通过模拟地下水环境对三种不同水胶比的钢筋混凝土试件进行通电加速锈蚀试验,利用电学无损检测法表征钢筋腐蚀程度,辅以微观检测手段验证试验结果,... 详细信息

针对兰州地铁一号线地下水环境含有大量侵蚀离子导致混凝土中钢筋过早锈蚀的问题,本工作通过模拟地下水环境对三种不同水胶比的钢筋混凝土试件进行通电加速锈蚀试验,利用电学无损检测法表征钢筋腐蚀程度,辅以微观检测手段验证试验结果,综合分析混凝土内钢筋腐蚀规律。最终推导并定义锈蚀系数k作为表征钢筋锈蚀程度的评价参数,并验证其合理性。结果表明:随着通电腐蚀的加剧,钢筋电阻值呈先下降后上升的趋势,其中水胶比越小的试件下降程度越明显;钢筋电流值持续下降,其下降速率呈“慢-快-慢”的规律;微观结果与实测数据具有相同规律,锈蚀系数k的定义从锈蚀产物层面印证混凝土保护性的优劣会导致锈蚀产物存在一定差异。

关键词：钢筋混凝土离子侵蚀通电腐蚀无损检测钢筋锈蚀

硫酸盐环境下基于COMSOL混凝土损伤劣化模型

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华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第3期49卷 119-125页

作者：乔宏霞乔国斌路承功兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

结合Fick第二定律和修正Davis方程,建立多离子耦合作用下混凝土在硫酸盐纯浸泡环境中离子扩散数值模拟过程,并通过化学平衡建立离子和腐蚀产物之间的定量关系,最终得到简化的硫酸盐纯浸泡模型.利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现硫酸... 详细信息

结合Fick第二定律和修正Davis方程,建立多离子耦合作用下混凝土在硫酸盐纯浸泡环境中离子扩散数值模拟过程,并通过化学平衡建立离子和腐蚀产物之间的定量关系,最终得到简化的硫酸盐纯浸泡模型.利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现硫酸根离子扩散模型的建立,以时间为自变量,通过设置温度、浓度等初始条件,最终得到腐蚀物浓度、孔隙率和应变场等因变量评价参数.考虑到混凝土试件的初始建模条件和硫酸根离子腐蚀过程中的复杂因素,对扩散和腐蚀过程做了一些简化和假定,建模结果表明:硫酸根离子在纯浸泡环境下的扩散过程符合试验规律;随着模拟腐蚀进行,混凝土内部自由态硫酸根离子趋于稳定,而固化态硫酸根离子随腐蚀进行而增加;模拟结果可以结合无损检测方法利用损伤层厚度来预测混凝土耐久性寿命.

关键词：混凝土耐久性硫酸盐腐蚀侵蚀模型损伤劣化

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混凝土中氯离子传输模拟及速率分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 19-25页

作者：乔宏霞乔国斌路承功兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

为模拟氯离子在混凝土中传输规律,基于Fick第二定律和Darcy定律建立氯离子扩散-对流模型,同时考虑温湿度、孔隙率、结合效应等多种影响因素对扩散系数进行修正,利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现多场耦合数值模拟,最终结合试验数据... 详细信息

为模拟氯离子在混凝土中传输规律,基于Fick第二定律和Darcy定律建立氯离子扩散-对流模型,同时考虑温湿度、孔隙率、结合效应等多种影响因素对扩散系数进行修正,利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现多场耦合数值模拟,最终结合试验数据模拟氯离子传输过程.结果表明:数值模拟与实验结果相关性良好,能有效表征氯离子在混凝土中的传输规律;由于水分对流速率远大于离子扩散速率,因此水分对流导致浅层出现对流区并占据主导,同时伴有浓度富集现象;随着深度加深,对流作用逐渐减弱而扩散作用占据主导,深层混凝土一直处于饱水状态并以扩散为主;浅层对流区与深层扩散区之间存在过渡区.

关键词：混凝土氯离子传输离子扩散溶液对流数值模拟

盐渍土通电环境中钢筋混凝土损伤劣化及尺寸效应试验研究

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材料导报 2021年第16期35卷 16042-16049页

作者：路承功魏智强乔宏霞曹辉乔国斌兰州理工大学土木工程学院兰州730050 兰州理工大学理学院兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心兰州730050

针对西部盐渍土地区混凝土结构在电流与腐蚀离子综合作用下耐久性突出问题,设计了室内恒电流通电加速试验,同时考虑试件尺寸效应的影响,将100 mm×100 mm×100 mm立方体及100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件置于盐渍土中进行耐久性试验,... 详细信息

针对西部盐渍土地区混凝土结构在电流与腐蚀离子综合作用下耐久性突出问题,设计了室内恒电流通电加速试验,同时考虑试件尺寸效应的影响,将100 mm×100 mm×100 mm立方体及100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件置于盐渍土中进行耐久性试验,采用电化学方法进行腐蚀监测,利用裂缝观测仪密切关注裂缝开展情况,腐蚀结束后分别对混凝土及钢筋进行电镜扫描。研究结果表明:在盐渍土通电加速环境下,钢筋混凝土经历了失钝、自由膨胀、应力增长、裂缝开展四个阶段。钢筋表面有层片状、团簇状、颗粒状的疏松结构生成,锈蚀产物呈黑色、褐色,混凝土内有针杆状、冰溜状、薯条状晶体生长,裂缝沿钢筋周围纵向开展、分布。立方体试件腐蚀电位、腐蚀电流密度、裂缝开展宽度等指标均显著高于棱柱体试件,且立方体试件实际腐蚀效率是棱柱体试件的1.5~1.6倍。钢筋混凝土试件尺寸效应显著,强度等级越高,尺寸效应越明显,且对于普通强度等级钢筋混凝土,尺寸效应对其耐久性影响程度高于强度等级。

关键词：钢筋混凝土盐渍土通电加速尺寸效应损伤劣化

基于Weibull分布的钢筋混凝土腐蚀环境耐久性寿命预测

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应用基础与工程科学学报 2022年第6期30卷 1534-1544页

作者：路承功魏智强乔宏霞乔国斌付勇兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学理学院甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

针对西部盐渍土环境中地下混凝土结构耐久性及寿命的突出问题,将钢筋混凝土置于NaCl与MgSO4的复合盐溶液中进行耐久性室内加速试验.以腐蚀电流密度作为耐久性退化关键指标,选择Weibull分布函数进行可靠性寿命建模,采用概率分布图进行先... 详细信息

针对西部盐渍土环境中地下混凝土结构耐久性及寿命的突出问题,将钢筋混凝土置于NaCl与MgSO4的复合盐溶液中进行耐久性室内加速试验.以腐蚀电流密度作为耐久性退化关键指标,选择Weibull分布函数进行可靠性寿命建模,采用概率分布图进行先验假设检验,通过最小二乘法进行参数估计,利用可靠度曲线、密度曲线及失效率曲线对腐蚀环境中钢筋混凝土进行耐久性预测评估,研究结果表明:Weibull分布模型可有效描述钢筋混凝土在复合盐溶液中的耐久性能退化过程.钢筋混凝土在A、B、C、D复合盐溶液中的耐久性寿命分别3400d、2000d、2900d、1500d.钢筋混凝土在复合盐溶液中的损伤劣化属于耗损型失效.在腐蚀离子综合作用下,钢筋混凝土对NaCl的敏感性高于MgSO_(4),NaCl是影响钢筋混凝土耐久性寿命最主要的因素,复合盐浓度增加10倍,其耐久性寿命缩短至基准溶液寿命的1/2以下.复合盐溶液中,钢筋腐蚀产物是Fe(OH)_(2)、Fe3O4和Fe_(2)O_(3)等的集合体,呈堆积状、颗粒状、层片状,复合盐溶液浓度越高,钢筋腐蚀产物越致密.

关键词：钢筋混凝土 Weibull分布寿命预测耐久性可靠度失效率复合盐溶液

基于Weibull分布的钢筋混凝土通电加速可靠性评估

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建筑材料学报 2021年第2期24卷 304-312页

作者：路承功魏智强乔宏霞李刊乔国斌兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学理学院甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

将3种强度等级的钢筋混凝土棱柱体置于盐渍土中进行恒电流通电加速试验,定期利用电化学工作站进行无损检测,选择Weibull分布进行可靠性建模,采用中位秩法、查表法和极大似然法对形状参数与尺度参数进行估计.结果表明:在盐渍土通电加速... 详细信息

将3种强度等级的钢筋混凝土棱柱体置于盐渍土中进行恒电流通电加速试验,定期利用电化学工作站进行无损检测,选择Weibull分布进行可靠性建模,采用中位秩法、查表法和极大似然法对形状参数与尺度参数进行估计.结果表明:在盐渍土通电加速环境下,可靠度曲线表现出三阶段变化特点,失效率初期较小而后期急剧增大;3类参数估计方法中,尺度参数值受参数估计方法影响小,而形状参数值受参数估计方法影响较大,其中中位秩法所得形状参数值偏大,而查表法所得形状参数值偏小,极大似然法所得形状参数值则介于两者之间;4种中位秩法所得形状参数估计值差异较大,而4种极大似然法所得形状参数估计值则非常相近;极大似然法的4种数值求解方法中,对分法和简单迭代法需要的迭代次数较多,而牛顿割线法和斯蒂芬森迭代法的迭代效率较高;强度等级越高,钢筋混凝土密度极值越小,失效时间越长,失效率越小.

关键词：盐渍土通电加速 Weibull分布钢筋混凝土参数估计可靠性

盐渍土地区混凝土加速寿命试验可靠性分析方法

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第3期52卷 1017-1026页

作者：路承功魏智强乔宏霞乔国斌朱彬荣兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学理学院甘肃兰州730050 东南大学土木工程学院江苏南京211189

为了更加准确、合理评估西部盐渍土地区混凝土耐久性能及服役寿命,设计模拟盐渍土地区四季损伤因子耦合作用的室内加速寿命试验,损伤因子包括复合盐侵蚀、干湿循环、冻融破坏和太阳辐射,分别选择Gamma分布、2参数Weibull分布和3参数Weib... 详细信息

为了更加准确、合理评估西部盐渍土地区混凝土耐久性能及服役寿命,设计模拟盐渍土地区四季损伤因子耦合作用的室内加速寿命试验,损伤因子包括复合盐侵蚀、干湿循环、冻融破坏和太阳辐射,分别选择Gamma分布、2参数Weibull分布和3参数Weibull分布函数建模,通过概率图进行先验假设检验,利用极大似然法及相关系数优化法进行参数估计,并基于可靠度寿命曲线、密度曲线及失效率曲线综合评估多损伤因子耦合作用下混凝土可靠性。研究结果表明:Gamma分布和Weibull分布对混凝土加速寿命数据样本均具有较高的拟合精度;3参数Weibull分布可靠度曲线过渡阶段速度较快,密度曲线对称性不强;Gamma分布与2参数Weibull分布模型可靠性最接近,可靠度曲线在过渡阶段更平缓,密度曲线更对称,失效率曲线后期均以较快速率增加。3类分布模型中,2参数Weibull分布在第1阶段时间最短,可靠度寿命最小,失效率在后期以幂次型增加,更符合混凝土在多损伤因子综合作用下的劣化规律;考虑3参数Weibull分布模型参数估计的难度,可直接通过2参数Weibull分布模型进行混凝土耐久性寿命的快速评估。可靠度水平为0.4时的可靠性寿命最接近混凝土加速寿命,将该可靠度作为盐渍土多损伤因子耦合作用时混凝土寿命结束标志。

关键词：混凝土加速寿命 Gamma分布 2参数Weibull 3参数Weibull 可靠性分析

基于Wiener随机过程地下腐蚀环境中钢筋混凝土耐久性寿命预测

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湖南大学学报（自然科学版） 2021年第7期48卷 119-128页

作者：路承功魏智强乔宏霞李刊李琼乔国斌兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

根据兰州地铁沿线站台地下水和土壤中所含腐蚀离子配置含有SO^(4)_^(2-)、Cl^(-)、Mg^(2+)的4种复合盐溶液,将钢筋混凝土试件置于复合盐溶液中,每隔90 d通过电化学工作站及超声声速检测仪进行无损检测,利用非单调Wiener随机退化过程,以... 详细信息

根据兰州地铁沿线站台地下水和土壤中所含腐蚀离子配置含有SO^(4)_^(2-)、Cl^(-)、Mg^(2+)的4种复合盐溶液,将钢筋混凝土试件置于复合盐溶液中,每隔90 d通过电化学工作站及超声声速检测仪进行无损检测,利用非单调Wiener随机退化过程,以相对动弹性模量值达到0.4时作为混凝土失效破坏条件,以混凝土裂缝开展宽度达到0.2 mm时的腐蚀电流密度作为混凝土中钢筋的失效阈值,进而建立钢筋混凝土耐久性寿命预测模型.研究结果表明:复合盐溶液环境下,极化曲线整体向腐蚀电流密度增大和负电位方向移动,交流阻抗图谱呈现双容抗弧,初始时刻低频区阻抗弧半径大,斜率高,腐蚀周期增加,低频阻抗弧半径逐渐减小并向阻抗实部收缩,阻抗谱逐渐左移.裂缝宽度到达0.2 mm时腐蚀电流密度的失效阈值为7.6375μA/cm^(2),基于Wiener随机过程模型可以很好地反映钢筋混凝土在腐蚀环境中耐久性寿命变化.钢筋和混凝土寿命曲线均呈现出三阶段变化特点,钢筋寿命曲线第一阶段持续时间更长,第二阶段加速退化速率更快.通过Wiener随机过程得到钢筋的寿命小于混凝土寿命,在A、B、C、D四种溶液中的寿命分别约为7200 d、2900 d、4500 d及2000 d,而混凝土在4种溶液中的寿命分别约为10000 d、6500 d、5500 d及5000 d.且钢筋寿命对氯盐的敏感性大,而混凝土寿命对硫酸盐的敏感性大.

关键词： Wiener随机过程耐久性钢筋混凝土硫酸盐腐蚀氯盐腐蚀寿命预测

钢筋混凝土在重盐渍土通电环境中基于Wiener随机过程可靠性分析

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中南大学学报（自然科学版） 2020年第8期51卷 2266-2276页

作者：路承功魏智强乔宏霞李刊乔国斌杨博兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

为探究服役环境中腐蚀离子和电流对钢筋混凝土耐久性能的影响,以3种不同强度等级的钢筋混凝土为研究对象,将钢筋混凝土棱柱体试件置于重盐渍土中进行恒电流通电加速试验。定期利用电化学工作站和裂缝观测仪进行无损检测,通过极化曲线和... 详细信息

为探究服役环境中腐蚀离子和电流对钢筋混凝土耐久性能的影响,以3种不同强度等级的钢筋混凝土为研究对象,将钢筋混凝土棱柱体试件置于重盐渍土中进行恒电流通电加速试验。定期利用电化学工作站和裂缝观测仪进行无损检测,通过极化曲线和交流阻抗图谱分析钢筋混凝土耐久性退化过程。选择非单调Wiener随机退化过程建模,利用极大似然法进行参数估计,根据混凝土裂缝宽度,结合裂缝破坏准则,得到腐蚀电流密度在盐渍土通电加速环境中的失效阈值,并建立通电时间与可靠度的关系曲线。研究结果表明:盐渍土通电环境下,腐蚀性离子通过扩散、渗透及电场吸附进入混凝土内部,并向钢筋表面迁移,混凝土内部pH降低,导电性增强,极化曲向负电位方向发生较大移动,腐蚀发生的概率及速率均增加,交流阻抗图谱呈现出双容抗弧;通电开始后,低频容抗弧半径锐减,并向阻抗实部收缩。混凝土裂缝宽度为0.2 mm时,C35,C40和C45钢筋混凝土腐蚀电流密度失效阈值分别为2.353,1.817和1.187μA/cm2。混凝土强度等级越高,可靠度保持在1.0时的持续时间越长,抗侵蚀能力越强。在腐蚀离子与电流耦合作用下,C35,C40和C45这3类试件分别在160,240和430 h时可靠度降低至1.0以下,通电时间越长,钢筋混凝土可靠度越低。

关键词： Wiener随机过程电化学钢筋混凝土盐渍土通电加速可靠性