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列车气动效应作用下隧道衬砌混凝土水分传输理论研究

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第4期54卷 1613-1621页

作者：王家赫谢永江冯仲伟王嘉旋渠亚男中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081

针对高速列车气动效应在铁路隧道衬砌混凝土表面产生的高速气流和空气低压作用,提出考虑列车气动效应的隧道衬砌混凝土水分传输和湿度场理论计算模型,并对气体流速和表面低压等关键影响因素进行分析。研究结果表明:高速气流加速混凝土... 详细信息

针对高速列车气动效应在铁路隧道衬砌混凝土表面产生的高速气流和空气低压作用,提出考虑列车气动效应的隧道衬砌混凝土水分传输和湿度场理论计算模型,并对气体流速和表面低压等关键影响因素进行分析。研究结果表明:高速气流加速混凝土表面水分交换速率并减薄水汽过渡层,表面低压作用降低环境中的水蒸气分压并增大混凝土表面与内部孔隙之间的压力梯度;混凝土表面风速越大、气压绝对值越低,其内部湿度下降越快;环境条件对混凝土湿度场的影响仅局限在混凝土表面一定范围内,环境风速和表面气压变化对混凝土内部湿度影响较小;在标准大气压条件下,当混凝土表面风速由5 m/s增大至15 m/s时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时相对湿度分别降低32.6%和3.9%;在环境风速为0 m/s条件下,当混凝土表面气压由80 kPa降低至50 kPa时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时混凝土相对湿度分别降低37.9%和3.8%。本文所提出的理论模型可较准确地描述上述因素对混凝土湿度变化的加速效应。

关键词：混凝土相对湿度水分传输气动效应

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低气压环境下硬化水泥浆体的水分传输特性

硅酸盐学报 2023年第5期51卷 1104-1114页

作者：左胜浩元强黄庭杰张凯陈若楠谭盐宾中南大学土木工程学院长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心长沙410075 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

高原地区的低气压环境对水泥基材料的干燥收缩与抗冻融性能等均有不利影响,该环境下水分传输特性的改变是重要的影响因素.对不同水灰比的硬化水泥浆体开展了不同气压(101、60 kPa和20 kPa)与相对湿度(43%、98%)环境中270 d的等温暴露试... 详细信息

高原地区的低气压环境对水泥基材料的干燥收缩与抗冻融性能等均有不利影响,该环境下水分传输特性的改变是重要的影响因素.对不同水灰比的硬化水泥浆体开展了不同气压(101、60 kPa和20 kPa)与相对湿度(43%、98%)环境中270 d的等温暴露试验,研究了低气压环境对硬化浆体中含湿量及化学结合水含量的影响,并建立数值模型分析了低气压环境对水分传输特性的影响.结果表明:在等温干燥环境中,低气压环境会促进硬化浆体中水分散失,并导致化学结合水含量的轻微下降;在等温润湿环境中,水分逐渐扩散进入硬化水泥浆体中,使试件质量随暴露龄期呈对数增长,环境气压降低会明显提升早期的质量增长速率与最终质量增加值.水分传输的数值模拟结果说明了低气压环境中水蒸气扩散系数、对流传质系数与硬化浆体的本征渗透率的增大是导致等温干燥和润湿过程水分传输行为的主要原因.

关键词：低气压水分传输等温干燥等温润湿化学结合水

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基于等温吸附的页岩水分传输特征研究

力学学报 2019年第3期51卷 932-939页

作者：沈伟军李熙喆鲁晓兵万玉金郭伟左罗中国科学院力学研究所北京100190 中国石油勘探开发研究院北京100083 中国石化石油工程技术研究院北京100101

研究页岩的水分传输特征至关重要,不仅有助于认识页岩的物理化学性质,而且也有助于评价页岩气的吸附扩散和流动能力.本文设计了页岩的水分传输实验装置,采用美国伍德福德和中国南方龙马溪组页岩为研究对象,开展了不同温度、不同湿度下... 详细信息

研究页岩的水分传输特征至关重要,不仅有助于认识页岩的物理化学性质,而且也有助于评价页岩气的吸附扩散和流动能力.本文设计了页岩的水分传输实验装置,采用美国伍德福德和中国南方龙马溪组页岩为研究对象,开展了不同温度、不同湿度下页岩的水分传输实验,研究了页岩的水分传输特征和影响因素.结果表明,页岩的水分吸附属于Ⅱ型曲线,包含着单分子层吸附、多分子层吸附和毛细凝聚的过程,GAB模型可用于描述页岩的水分吸附过程;水分吸附随着相对压力的增大而增强,有机碳含量和温度对页岩水分吸附起着增强作用,而方解石会抑制页岩的水分吸附;随着相对压力的增大,页岩的水分扩散系数呈现先增大后减小随后增加的趋势,其系数大约在8.73×10-9~5.95×10-8m2/s之间;伍德福德页岩的等量吸附热均大于龙马溪页岩的等量吸附热,这与其页岩的成熟度有关.研究结果为认识页岩的物理化学性质和力学性能以及评价页岩气的吸附流动能力提供参考依据.

关键词：页岩气藏水力压裂等温吸附水分传输扩散系数吸附热

亚低温与干旱胁迫对番茄植株水分传输和形态解剖结构的影响

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应用生态学报 2020年第8期31卷 2630-2636页

作者：肖怀娟李娟起王吉庆杜清洁河南农业大学园艺学院郑州450002

为探讨亚低温和干旱对植株水分传输的影响机制,以番茄幼苗为试材,利用人工气候室设置常温(昼25℃/夜18℃)和亚低温(昼15℃/夜8℃)环境,采用盆栽进行正常灌水(75%~85%田间持水量)和干旱处理(55%~65%田间持水量),分析了温度和土壤水分对... 详细信息

为探讨亚低温和干旱对植株水分传输的影响机制,以番茄幼苗为试材,利用人工气候室设置常温(昼25℃/夜18℃)和亚低温(昼15℃/夜8℃)环境,采用盆栽进行正常灌水(75%~85%田间持水量)和干旱处理(55%~65%田间持水量),分析了温度和土壤水分对番茄植株水分传输、气孔和木质部导管形态解剖结构的影响。结果表明:与常温正常灌水处理相比,干旱处理使番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、茎流速率、气孔长度和叶、茎、根导管直径显著减小,而使叶、茎、根导管细胞壁厚度和抗栓塞能力增强;亚低温处理下番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度和叶、茎、根导管直径显著降低,但气孔变大,叶、根导管细胞壁厚度和叶、茎、根抗栓塞能力显著升高。亚低温条件下土壤水分状况对番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、气孔形态、叶、根导管结构均无显著影响。总之,干旱处理下番茄通过协同调控叶、茎、根结构使植株水分关系重新达到稳态;亚低温处理下番茄植株水分关系的调控主要通过改变叶和根导管结构实现,且受土壤水分状况的影响较小。

关键词：番茄亚低温干旱水分传输形态解剖结构

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裂缝对混凝土中水分传输影响研究进展

水利学报 2021年第6期52卷 647-658,672页

作者：王立成穆林钧邹凯大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

由荷载或环境因素产生的混凝土裂缝,不仅降低了混凝土抵抗水分侵入的能力,还为侵蚀性介质侵入混凝土内部提供附加通道,造成钢筋混凝土结构耐久性不足和使用寿命降低。本文从试验研究和数值模拟两个方面,系统评述了裂缝对混凝土中水分传... 详细信息

由荷载或环境因素产生的混凝土裂缝,不仅降低了混凝土抵抗水分侵入的能力,还为侵蚀性介质侵入混凝土内部提供附加通道,造成钢筋混凝土结构耐久性不足和使用寿命降低。本文从试验研究和数值模拟两个方面,系统评述了裂缝对混凝土中水分传输影响的研究进展。研究发现,混凝土裂缝中的水分传输系数与裂缝宽度的二次或三次方成正比;裂缝迂曲度的增加能显著降低水分的传输速度;裂缝粗糙度的变化对水分传输速度影响很小;裂缝密度的增加能增大混凝土的吸水量。此外,裂缝的自愈合能够降低水分在混凝土裂缝中的传输速度。研究裂缝对混凝土中水分传输规律的影响可为钢筋混凝土结构的耐久性设计提供理论依据。最后,在总结已有研究成果的基础上,分析了开裂混凝土中水分传输研究存在的问题,并对未来可能的研究方向给出了建议。

关键词：混凝土水分传输裂缝耐久性研究进展

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改性方法对生土材料水分传输特性的影响

建筑材料学报 2018年第6期21卷 1012-1016页

作者：刘俊霞吴晓博张茂亮王帅旗海然中原工学院建筑工程学院河南郑州450007 河南建筑材料研究设计院有限责任公司河南郑州450002

通过未改性生土材料、水泥改性生土材料、黄麻改性生土材料和水泥/黄麻复合改性生土材料的毛细吸水试验,研究了改性方法对生土材料毛细吸水速率、毛细吸收系数和表面渗入深度等水分传输参数的影响及其作用机理.结果表明:生土材料的毛细... 详细信息

通过未改性生土材料、水泥改性生土材料、黄麻改性生土材料和水泥/黄麻复合改性生土材料的毛细吸水试验,研究了改性方法对生土材料毛细吸水速率、毛细吸收系数和表面渗入深度等水分传输参数的影响及其作用机理.结果表明:生土材料的毛细吸水量与时间平方根呈线性关系;水泥改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率较未改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率分别降低19.8%和25.3%,而黄麻改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率分别提高了43.4%和26.2%;黄麻纤维明显提高了生土材料水分的表面渗入深度;水泥改变了黄土颗粒表面状态和生土材料的孔结构,从而影响了生土材料的水分传输特性.

关键词：生土材料改性水分传输毛细吸收系数

低真空高温环境下混凝土材料水分传输行为及收缩研究

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低真空高温环境下混凝土材料水分传输行为及收缩研究

作者：王云飞山东大学

学位级别：硕士

低真空管道磁悬浮列车是一种革命性的新型交通运输方式,然而作为其基础设施建设材料之一的混凝土材料在低真空环境下的水分传输行为演化规律和长期收缩的研究依然缺乏研究。因此尽快开展相关研究,补齐相关工程条件下混凝土材料方面的研... 详细信息

低真空管道磁悬浮列车是一种革命性的新型交通运输方式,然而作为其基础设施建设材料之一的混凝土材料在低真空环境下的水分传输行为演化规律和长期收缩的研究依然缺乏研究。因此尽快开展相关研究,补齐相关工程条件下混凝土材料方面的研究短板,对试验工程的建设具有十分重要的现实意义。本研究主要通过对混凝土材料在真空度、温度、养护龄期、配合比等不同影响因素下内部不同位置相对湿度和收缩进行长期监测,并提出了建立相关条件下相对湿度预测模型的方法,取得了以下主要结论和研究成果:(1)研究了不同真空度、温度、养护龄期和配合比条件对混凝土水分传输行为的影响,结果发现真空度降低和温度提高都能加快混凝土内部的失水速率,但产生该现象的原因不同。真空度降低是通过提高水分扩散效应的影响提高混凝土材料失水速率,而温度提高则主要与试件内部的自干燥效应有关。增大材料的水胶比和提高养护龄期能在一定程度上增强材料的保水能力。此外,低真空高温耦合作用下混凝土材料内部的水分传输方式发生了变化,水分会更多的以水蒸气扩散的形式在材料内部进行传输。(2)低真空作用下水泥净浆材料内孔径在10～100nm的毛细孔发生了转化,部分发展为更大的毛细孔,部分则发生塌缩,孔径大小减小至凝胶孔尺寸量级,但整体孔隙率变化不大。低真空高温耦合作用下水泥净浆材料微观结构老化速度加快,孔隙连通性增强,孔隙率与最可几孔径有明显提升。而降低水胶比能明显改善低真空暴露环境下水泥净浆材料孔隙结构。此外,低真空作用对材料表层的化学结合水含量影响明显,但对深层影响不大。而低真空高温耦合作用下不同暴露深度处化学结合水含量同步下降。(3)真空度降低能提高低真空暴露早期干燥收缩应变发展速度,但长期的干燥收缩应变值受真空度变化影响不大。低真空高温耦合作用下同样出现了混凝土早期干燥收缩应变发展速度加快的现象,但暴露温度越高,混凝土的长期干燥收缩应变就越大。整体而言,低真空耦合作用对于混凝土体积稳定性的劣化作用要高于单纯降低真空度对材料体积稳定性劣化作用的影响。(4)通过将扩散方程计算结果与自干燥拟合曲线计算结果叠加计算建立了一种预测低真空高温耦合作用条件下混凝土内部相对湿度的方法,并通过预测模型对低真空暴露270d后试件内部的相对湿度进行了预测,预测结果与实测值误差在5%以内,模型预测准确度较高,预测结果具有可信度。

关键词：低真空高温混凝土水分传输收缩

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基于等温吸附的水泥基孔隙材料水分传输过程

硅酸盐学报 2015年第8期43卷 1024-1031页

作者：张东东庞晓贇李克非教育部土木工程安全与耐久重点试验室清华大学土木工程系北京100084

讨论了水泥基孔隙材料水分传输的主要机理,建立了孔隙水分传输的多相和简化模型。测试了胶凝材料含有70%矿渣的净浆和砂浆材料的等温吸附与脱附曲线(WVSI),得到了孔隙材料的水分特征曲线。利用水分传输模型对等温吸附实验脱附过程的实... 详细信息

讨论了水泥基孔隙材料水分传输的主要机理,建立了孔隙水分传输的多相和简化模型。测试了胶凝材料含有70%矿渣的净浆和砂浆材料的等温吸附与脱附曲线(WVSI),得到了孔隙材料的水分特征曲线。利用水分传输模型对等温吸附实验脱附过程的实验数据进行回归,得到材料的本征渗透率。结果表明:在相对湿度h=60%时,两个模型的回归结果相近;在相对湿度h=18%时,两个模型的回归结果相差较大;简化模型仅适用于中等湿度(h=60%)及以上环境中水分传输过程的描述;基于等温吸附曲线数据,利用模型回归水泥基材料本征渗透率的方法基本可行。

关键词：水泥基材料水分传输本征渗透率等温吸附

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非饱和混凝土细观水分传输性能研究

非饱和混凝土细观水分传输性能研究

作者：康子寒河南工业大学

学位级别：硕士

混凝土结构的耐久性问题大多数与水分相关,水分作为有害离子侵入混凝土过程的载体,往往决定着混凝土结构劣化过程的快慢。为此研究水分在混凝土内部的传输性能,对提高混凝土耐久性能具有重要意义。本文设计了不同温湿交替水分传输试验... 详细信息

混凝土结构的耐久性问题大多数与水分相关,水分作为有害离子侵入混凝土过程的载体,往往决定着混凝土结构劣化过程的快慢。为此研究水分在混凝土内部的传输性能,对提高混凝土耐久性能具有重要意义。本文设计了不同温湿交替水分传输试验与饱和度平衡关系试验,分别研究了混凝土不同水胶比和内部深度对外界环境的响应规律,和不同温湿度环境下水胶比0.45水泥基材料的水分传输性能。并基于试验结果获得了不同温度的等温吸脱附曲线与水分特征曲线,在此基础上结合随机骨料模型建立了混凝土细观水分传输数值模型,进一步探讨了边界温度、饱和度和细观因素对混凝土水分传输性能的影响。本文具体工作与主要结论如下:(1)通过开展不同温湿交替水分传输试验,分析了混凝土不同水胶比和内部深度相对湿度的变化规律,并进一步基于Fick第二定律得到了不同水胶比混凝土的水分扩散系数。研究结果表明:水胶比越大混凝土内部相对湿度响应越早,距离传输面越深,相对湿度的变化速率越慢,对外界环境的响应也越晚;当相对湿度小于80%时,不同水胶比的水分扩散系数变化不大,在5mm/h以下;当相对湿度大于80%时,水分扩散系数呈指数形式增长,并且不同水胶比的水分扩散系数差异越来越明显。(2)通过饱和度平衡关系试验研究了水胶比0.45水泥基材料在不同温湿度环境下的水分传输性能,获得了砂浆与混凝土不同温度的等温吸脱附曲线,并在此基础上基于过Simpson模型建立了考虑温度影响的相对湿度与饱和度关系模型,随后结合Kelvin-Laplace方程推导出了毛细压力与饱和度的关系表达式,得到了砂浆的水分特征曲线。研究结果表明:砂浆与混凝土的等温吸脱附曲线变化规律基本一致,但排湿过程存在明显的滞后性;在吸湿过程中,当相对湿度大于55%时,吸湿速率明显加快,内部水分含量明显增多,饱和度呈指数形式上升。(3)利用砂浆的压汞试验结果基于Kozeny-Carman模型,计算出了固有渗透系数,并基于水分特征曲线结合Van Genuchten模型拟合出了Mualem方程所需的m值,确定了相对渗透系数的表达式,同时在上述基础上建立了液态水和水蒸气共同传输的砂浆水分传输理论模型。之后利用扫描电镜试验结果,基于局部孔隙理论得到了砂浆与界面过渡区水分传输系数之间的数学关系,通过结合混凝土细观传热理论模型,建立了考虑温度影响的混凝土细观水分传输理论模型。(4)基于蒙特卡洛法与Walraven方程,建立了圆形、椭圆形和多边形的随机骨料模型,之后结合混凝土细观水分传输理论模型,利用COMSOL软件建立了混凝土细观水分传输数值模型,并在此基础上进一步探索了边界温度、边界饱和度和细观因素对混凝土水分传输性能的影响。研究结果表明:边界温度越高,吸湿与排湿过程中达到的平衡饱和度越低;边界饱和度越高,前期的吸湿速率越快、排湿速率越慢;随着骨料体积分数的增大,水分传输速度逐渐变快,在骨料体积分数为0.15至0.45时水分传输性能差异最为明显;随着界面过渡区厚度和传输系数的增大,水分传输速度也逐渐变快,在50h后不同界面过渡区厚度和传输系数的饱和度变化差异越来越明显;而骨料形状、粒径区间和分布位置对混凝土水分传输性能没有较大的影响。

关键词：非饱和混凝土水分传输饱和度细观尺度数值模拟随机骨料模型