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干湿循环和硫酸盐侵蚀下混凝土水分传输规律研究

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干湿循环和硫酸盐侵蚀下混凝土水分传输规律研究

作者：刘鹏南京理工大学

学位级别：硕士

处于海洋、酸雨等环境下的混凝土结构,遭受干湿循环、硫酸盐腐蚀等各种环境因素的侵蚀作用,混凝土的耐久性降低、服役寿命缩短。硫酸盐侵蚀是引起混凝土耐久性退化的主要因素,而干湿循环加剧混凝土硫酸盐腐蚀进程,研究硫酸盐侵蚀和干湿... 详细信息

处于海洋、酸雨等环境下的混凝土结构,遭受干湿循环、硫酸盐腐蚀等各种环境因素的侵蚀作用,混凝土的耐久性降低、服役寿命缩短。硫酸盐侵蚀是引起混凝土耐久性退化的主要因素,而干湿循环加剧混凝土硫酸盐腐蚀进程,研究硫酸盐侵蚀和干湿循环耦合作用下混凝土的耐久性问题对开展混凝土结构的长寿命设计、提高工程结构的服役安全性具有重要意义。本文针对这一问题,通过数值建模、实验测试,研究干湿循环条件下的水分传输、硫酸盐侵蚀下的离子传输与溶液结晶随侵蚀时间的变化规律。主要内容及结论如下：(1)根据混凝土中水分传输机制,运用Fick定律与Darcy定律,建立了干湿循环条件下考虑水蒸气扩散和液态水渗透机制的混凝土水分传输方程,该方程是一个非线性的偏微分方程,利用单点子域精细积分法获得了该方程在一维情况下的半解析解,并应用Matlab语言编制了相应的分析程序。(2)设计并制作了不同水灰比的水泥砂浆试件,并按水分一维传输情况制作了厚度不同的多组切片,以开展水分在混凝土中的湿润、干燥和干湿循环等一维传输实验,以验证所建立的水分传输模型的合理性。结果表明,水分传输模型的计算值与实验测试值结果较为一致,说明本文所建立的模型可用于分析混凝土中的水分传输规律。(3)建立了混凝土中水分传输的二维分析方程,利用单点子域精细积分法获得了该方程的半解析解,分析了混凝土棱柱体在湿润、干燥和干湿循环等各种工况下的水分传输规律。结果表明,混凝土中水分传输速率沿试件表面向内呈递减关系,且在柱截面对角线上的水分传输率较大。(4)根据混凝土中硫酸盐溶液的对流传输过程,建立了干湿循环条件下硫酸根离子在混凝土中的传输模型,模拟了混凝土中水分蒸发后硫酸根离子浓度和硫酸盐结晶量随循环次数的变化规律。结果表明,混凝土试件表层受干湿条件影响最大,其硫酸根离子浓度随循环次数的增加而累积;干燥与湿润时间对混凝土内硫酸根离子分布的影响很大;混凝土中硫酸盐的结晶量随干湿循环次数的增加而逐渐增加。

关键词：水分传输传输模型干湿循环硫酸盐侵蚀混凝土精细积分法

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非饱和水泥基材料中水分传输的数值模拟研究

非饱和水泥基材料中水分传输的数值模拟研究

作者：刘兆麟青岛理工大学

学位级别：硕士

钢筋混凝土结构的耐久性一直是困扰土木工程界的热点问题,它不仅关乎节省材料、节约能源以及保护环境等重大问题,并且对经济、社会的可持续发展具有重要意义。对于水泥基材料的诸多耐久性劣化问题,水分的存在及传输过程是不可或缺的必... 详细信息

钢筋混凝土结构的耐久性一直是困扰土木工程界的热点问题,它不仅关乎节省材料、节约能源以及保护环境等重大问题,并且对经济、社会的可持续发展具有重要意义。对于水泥基材料的诸多耐久性劣化问题,水分的存在及传输过程是不可或缺的必要条件和关键因素。一方面,水既是有害介质(如氯离子、硫酸根离子)侵入混凝土结构内部的重要载体;另一方面,它又是水泥基材料中绝大多数劣化反应(物理、化学)发生所需要的必要条件。水泥基材料中水分主要以毛细吸附、湿扩散和压力渗透三种形式运动。不同条件下,水分的传输机理也会大不相同。因而,为了保证准确地分析水泥基材料的劣化情况,进而对其全寿命周期做出精确预测,最核心的问题就是确定水泥基材料中水分的传输以及分布规律。为此,基于有限单元法(FEM),本文建立了不同种类水泥基材料水分传输的细观有限元模型,并系统地开展了均质砂浆、开裂水泥基材料、三相复合混凝土以及五相复合再生混凝土中水分传输的数值模拟研究。开展的具体工作及得出的主要结论如下:(1)针对水泥基材料中水分传输试验方法与模拟手段,系统地概述了国内外学者的研究成果,总结了水泥基材料中三种运动状态下的水分传输理论。以毛细吸附作用为主要驱动力,推导了非饱和水泥基材料水分传输数值模拟的微分控制方程,采用Galerkin法给出了控制方程的有限元离散形式,并利用有限元软件COMSOL实现了水泥基材料中水分传输过程的细观数值仿真分析。(2)制备了与对比试验中配合比相同的砂浆试件,进行了定水头压力渗透试验以及长达150天的吸附脱附试验,获得了控制方程中所需参数值,从而建立了更满足实际情况的水泥基材料水分传输模型,更有效地为后续数值模拟提供理论依据及模型支撑。(3)基于Richards方程,建立了三种带裂缝砂浆水分传输的细观有限元模型,实现了含单条及多条裂缝非饱和砂浆水分传输的二维模拟,结合文献中试验数据,对比验证了模型的准确性和可靠性。进一步开展了中断水源后开裂砂浆中水分持续前进的重分布规律研究。最后分析了裂缝尺寸、基体初始饱和度、裂缝倾斜角以及裂缝条数对水分分布的影响,结果表明,裂缝长度、宽度、基体饱和度、裂缝条数与水分前锋的渗入深度呈正相关,而裂缝倾斜角与水分前锋的侵入深度呈负相关。(4)基于混凝土的非均质特性,建立了“旧骨料-旧界面-旧砂浆-新界面-新砂浆”五相复合再生混凝土模型,开展了再生混凝土中水分传输过程的细观数值仿真分析,探究了再生混凝土中水分分布规律。数值结果表明,再生混凝土中由于二重界面以及粘结旧砂浆的影响,水分传输速度明显快于普通混凝土。通过参数敏感性分析发现,粘结旧砂浆的厚度、再生骨料取代率以及骨料体积分数是决定水分含量的主要因素。

关键词：非饱和水泥基材料细观有限元模型水分传输裂缝再生混凝土

温室环境因子对黄瓜水分传输及蒸腾作用影响研究

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温室环境因子对黄瓜水分传输及蒸腾作用影响研究

作者：张中典西北农林科技大学

学位级别：硕士

植物蒸腾作用是温室水热传输的重要驱动力和水分消耗的主要途径,受土壤因素、植物生理作用和气象环境的综合影响,根据环境因子对不同时空尺度蒸腾作用的影响机制,可通过温室环境和灌溉管理调控蒸腾作用,提高水分利用效率。本研究以温室... 详细信息

植物蒸腾作用是温室水热传输的重要驱动力和水分消耗的主要途径,受土壤因素、植物生理作用和气象环境的综合影响,根据环境因子对不同时空尺度蒸腾作用的影响机制,可通过温室环境和灌溉管理调控蒸腾作用,提高水分利用效率。本研究以温室黄瓜为研究对象,对于叶片瞬时尺度的蒸腾速率,通过土壤水分、空气温度、相对湿度和光合有效辐射四个环境因子的四元二次正交旋转组合设计,分析稳态流条件下各环境因子对气孔导度、土壤—植物系统总水力导度的影响及其调控蒸腾效应,可以为温室环境的优化管理提供理论基础。对于单株尺度的日蒸腾量,设置土壤相对含水量为80%(w1)、70%(w2)、60%(w3)、50%(w4)的四个水分梯度,通过建立数学模型描述环境因子驱动的温室黄瓜营养生长期日蒸腾量的变化过程,并采用独立试验数据对模型进行检验。主要研究结果如下:1.研究了环境因子影响气孔导度、总水力导度的主效应、单因子效应和边际效应,明确了气孔导度、总水力导度的主要调控途径。分析表明,土壤水分、空气温度、空气相对湿度和光合有效辐射对气孔导度、总水力导度均有正效应,对其影响最大的环境因子分别是相对湿度、空气温度;土壤水分与光合有效辐射、空气温度与相对湿度对气孔导度和总水力导度存在明显的交互作用;相对湿度对气孔导度、总水力导度的单因子效应为开口向上的抛物线函数,其他环境因子的单因子效应皆趋近于线性递增函数;各因子的边际效应分析表明,相对湿度是气孔导度的主要调控途径,除光合有效辐射外,其他因子均可有效调控总水力导度。2.以环境因子、气孔导度、总水力导度为影响因子,采用通径分析分析方法研究了各因子对蒸腾速率的影响途径。空气温度、光合有效辐射和气孔导度均主要通过增强总水力导度对蒸腾作用产生间接正效应,其次为对蒸腾作用的直接正效应;土壤水分主要通过增强总水力导度和气孔导度对蒸腾作用产生间接正效应;相对湿度的直接影响为负效应,但其主要影响途径为通过增强总水力导度和气孔导度对蒸腾作用的正效应;气孔导度与总水力导度响应环境因子变化并相互作用,协同调控蒸腾作用。3.水分充足条件下,对比分析了直接方法和间接方法对温室黄瓜潜在蒸腾量的估算效果。研究表明,采用直接方法估算温室黄瓜营养生长期潜在蒸腾量的精度最高,其RMSE与rRMSE分别为25.5g/d和19.25%;间接方法中,基于天数计算基础作物系数的蒸腾模型精度最低,RMSE、rRMSE分别为48.1g/d、36.46%,基于有效积温模拟基础作物系数可以有效提高蒸腾模型的预测精度,其RMSE、rRMSE分别为31.1g/d和23.36%,该模型计算简单,具有较大的推广应用潜力。4.水分亏缺条件下,量化了水分亏缺影响温室黄瓜蒸腾量的短期影响和长期影响,建立了水分亏缺条件下的温室黄瓜营养生长期日蒸腾量估算模型,并采用独立试验数据对模型进行检验。结果表明,FAO推荐的水分胁迫系数计算方法仅反映了水分亏缺对作物蒸腾量的短期影响效应,不能应用于长期水分亏缺条件下温室黄瓜蒸腾量的估算。本研究将土壤水分胁迫系数进一步划分为短期影响因子与长期影响因子,以有效积温描述干旱的持续时间,综合反映干旱发展过程中干旱强度和持续时间对蒸腾量的影响,处理w2至处理w4模型的RMSE、rRMSE分别为19.8g/d、17.7g/d、3.5g/d和19.05%、26.12%、14.53%。建立的蒸腾模型综合考虑了作物生长过程和干旱发展过程中温度、水分的驱动作用,具有较高的机理性和预测精度,且模型形式简洁,所需参数易于获取,可以为温室黄瓜节水灌溉提供理论支持,亦可为建立水分亏缺条件下其他作物的蒸腾模型提供参考。本研究在叶片瞬时尺度分析了环境因子影响温室黄瓜蒸腾作用的水分传输动力学机制,在单株日尺度建立了环境因子驱动的温室黄瓜日蒸腾量估算模型,较为系统地研究了环境因子对蒸腾作用的影响机制,可以为优化温室环境管理和合理灌溉提供理论基础,具有一定的理论意义和应用价值。

关键词：温室黄瓜环境因子水分传输蒸腾模型

水泥基材料水分传输过程的可视化表征与量化分析

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水泥基材料水分传输过程的可视化表征与量化分析

作者：郭邦文深圳大学

学位级别：硕士

混凝土是当今应用最广的建筑材料。然而,由于环境中侵蚀性介质引起混凝土材料的耐久性不足导致了建筑结构无法达到正常的服役年限。混凝土的劣化（如冻融、钢筋锈蚀等）,往往与水分的存在及其传输紧密相关。外部侵蚀性介质如氯离子以水... 详细信息

混凝土是当今应用最广的建筑材料。然而,由于环境中侵蚀性介质引起混凝土材料的耐久性不足导致了建筑结构无法达到正常的服役年限。混凝土的劣化（如冻融、钢筋锈蚀等）,往往与水分的存在及其传输紧密相关。外部侵蚀性介质如氯离子以水为传输载体,在毛细吸水作用下侵入材料内部和迁移,引起钢筋锈蚀等劣化反应,从而加速了混凝土结构的劣化进程。当前,为了追踪和研究水泥基材料中水分的传输过程和规律,多数研究只在一维或二维条件下建立材料中的含水率或吸水深度与吸水时间的函数关系,更不能可视化地表征水在材料内部的三维传输过程和分布信息。因此,本文主要应用X射线断层扫描技术（即X-ray Tomography Technique,简称XCT）进行原位可视化追踪和表征水分在净浆中的传输过程和规律,主要研究内容与结果如下:（1）采用碘化钠溶液替代纯水作为CT图像增强剂进行毛细吸水试验和XCT测试,以实现原位、可视化表征水泥基材料中水分的动态传输过程,突破XCT技术无法直观追踪净浆中纯水迁移的局限性。经过多次实验发现,当质量分数为10%的碘化钠溶液可得到具有明显对比度的CT图像,可清晰界定净浆中已吸水区域和未吸水区域。（2）采用相关的图像修正理论进行“伪影”修正,提出了平均灰度值法进行量化分析水分在净浆中的吸水深度。通过劈开测量试样的实际吸水深度和电位滴定法测定毛细吸水3h后0.4水灰比净浆试样中碘离子浓度随吸水深度的分布规律两种实验表明,应用XCT技术和平均灰度值法追踪净浆中水分的传输过程是有效的。此外,应用XCT技术进行原位可视化监测和描述了四种不同净浆试样（水灰比分别为0.3、0.4、0.5和0.6）中水分传输的2D和3D演变过程。（3）通过称重法研究水泥净浆中水分的传输规律时发现,在毛细吸附作用下,随着吸水时间的增长,试样的毛细吸水过程表现为前期吸水量增加较快、后期逐渐缓慢的过程。同时,四种不同净浆试样的单位面积的毛细吸水量与时间平方根均呈现线性关系,其拟合曲线的斜率即为毛细吸水率S。水灰比越大,毛细吸水量也越多,吸水率越大。（4）应用XCT技术和劈开测量两种方法研究水泥净浆中毛细吸水深度随时间的变化规律时发现,在毛细吸附作用下,随着吸水时间的延长,试样的毛细吸水过程表现为前期吸水深度增长较快、后期逐渐缓慢的过程。同时,四种不同净浆的毛细吸水深度与时间平方根均呈线性关系,符合Locas-Washburn方程,其拟合曲线的斜率即为毛细管系数k。水灰比越大,毛细吸水深度也越深,毛细管系数越大。（5）净浆在毛细吸水作用下的毛细吸水率与毛细管系数具有较好的线性关系,这与Han?i?等人利用中子成像技术得到的结论相吻合。

关键词：水泥基材料水分传输 X射线断层扫描技术（XCT）毛细吸水平均灰度值法

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土壤-植物-大气连统体的水分传输

水利学报 1983年第9期 1-10页

作者：谭孝沅天津市水利科学研究所

无论从生态循环和灌溉原理上讲,土壤-植物-大气连统体(Soil-Plant-Atmosphere Con-tinuum)是水分循环的通道。我们研究这一通道中水分运动的能量转变问题,目的是为了揭示作物需水量的本质,研究农田和近地空气层之间的热量平衡和水汽的... 详细信息

无论从生态循环和灌溉原理上讲,土壤-植物-大气连统体(Soil-Plant-Atmosphere Con-tinuum)是水分循环的通道。我们研究这一通道中水分运动的能量转变问题,目的是为了揭示作物需水量的本质,研究农田和近地空气层之间的热量平衡和水汽的乱流交换,研究用理论方法计算作物需水量的途径,并有助于水资源的正确评价与合理利用的研究。这一通道中虽然介质不同,但在能量观点上仍可建立适当的数学模型,为作物需水量和生态平衡中的水分运动,提供一定的计算途径。

关键词：土壤水基质势重力势重力位水分传输摩尔浓度克分子浓度水分通量土壤水势导水系数导水率土壤墒情土壤含水量植物

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自养护混凝土中水分传输机制模型的研究

自养护混凝土中水分传输机制模型的研究

2011年混凝土与水泥制品学术讨论会

作者：吴雄杨文王军赵日煦王发洲中建商品混凝土有限公司武汉理工大学

本文针对高强混凝土内部湿度损失较快,容易产生自收缩的现象,提出了养护材料的功能原理和微养护机理。分析了自养护材料的吸水、储水和释水特性,以及自养护水在自养护材料与水泥石之间的传输机制模型。结果表明,轻集料和超吸水树脂都具... 详细信息

本文针对高强混凝土内部湿度损失较快,容易产生自收缩的现象,提出了养护材料的功能原理和微养护机理。分析了自养护材料的吸水、储水和释水特性,以及自养护水在自养护材料与水泥石之间的传输机制模型。结果表明,轻集料和超吸水树脂都具有良好的吸水释水性能;自养护水分在混凝土中的扩散距离与其孔结构、颗粒特征以及混凝土中的水胶比等因素相关;自养护材料释放出的水分能有效提高混凝土的实际水胶比。

关键词：自养护材料自收缩水分传输释水半径

来源： cnki会议评论

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土壤-植物-大气连统体的水分传输

水利学报 1984年第7期 67-69页

作者：谭孝沅

毛建华(天津市农业科学院):水分从土壤经过植物再到大气的流动过程是一个物理的、统一的、动态的连续过程。在这一连续过程中,水流的途径是:植物的根表皮细胞顺着水势梯度从土壤中不断地吸收水分,并沿着根和茎部导管输送到叶片,再化为... 详细信息

毛建华(天津市农业科学院):水分从土壤经过植物再到大气的流动过程是一个物理的、统一的、动态的连续过程。在这一连续过程中,水流的途径是:植物的根表皮细胞顺着水势梯度从土壤中不断地吸收水分,并沿着根和茎部导管输送到叶片,再化为水汽穿过叶片气孔扩散到大气中。这个途径构成了土壤-植物-大气连统体(或称连续体系),即SPAC。在这个体系内部,由于统一了能量关系,统一了量度标准,就可以把过去水分研究中的静态发展到动态,把定性描述发展到定量测定。这对研究水分运动的能量转变、揭示作物需水本质与规律,以及计算作物需水与灌溉水量,都将是十分有益的。

关键词：土壤含水率土壤水吸力水分传输植物 SPAC 土水势水流运动方程基质势导水率导水系数水势梯度蒸发强度根系层蒸腾强度

黄土丘陵区农林地SVAT系统水分传输模拟研究

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黄土丘陵区农林地SVAT系统水分传输模拟研究

红壤坡地干旱季节地表/大气界面水分传输——以茶园为例

作者：卫三平王力山西省吕梁市水利局西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室

基于野外试验资料,应用CoupMode1模型,对黄土丘陵沟壑区2006年6～9月份农地(马铃薯)、林地(刺槐林)SVAT系统水分传输进行了模拟。研究结果表明:6～9月份农地截留降水仅为刺槐林群落的26.05%;农地总蒸发量大于刺槐林地,7月中旬以前农地... 详细信息

基于野外试验资料,应用CoupMode1模型,对黄土丘陵沟壑区2006年6～9月份农地(马铃薯)、林地(刺槐林)SVAT系统水分传输进行了模拟。研究结果表明:6～9月份农地截留降水仅为刺槐林群落的26.05%;农地总蒸发量大于刺槐林地,7月中旬以前农地日蒸发量明显高于刺槐林地,7月中旬以后二者基本相等;刺槐蒸腾量显著高于刺槐林下植被和农地马铃薯,而且日变幅较大;农地和刺槐林地均没有发生地表径流;农地土壤深层渗漏4.08mm,刺槐林地深层渗漏极小,忽略不计;农地0～600 cm土层增加储水量89.79 mm,而刺槐林地减少16.34 mm,出现负补偿现象;SVAT系统中,刺槐林地和农地水分收入均为341.06 mm,支出分别为357.41 mm和251.28 mm,刺槐林地是农地的1.42倍;刺槐林和农地作物对降水的利用率分别为46.48%和28.41%;刺槐林的截留蒸发量和蒸腾量是农地的2.08倍,显著大于农地,是导致刺槐林群落过度消耗土壤储水而呈现负补偿现象的主要原因。

关键词： SVAT系统农地林地水分传输 CoupModel模型黄土丘陵沟壑区

来源： cnki会议评论

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红壤坡地干旱季节地表/大气界面水分传输——以茶园为例