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第1章 绪论1

1.1 概论1

1.2 混凝土材料的耐久性能1

1.3 混凝土耐久性能的数值模拟3

1.3.1 数值模拟的本质3

1.3.2 在层面上的分类4

1.3.3 在尺度上的分类4

1.4 水分传输过程数值模拟研究现状6

1.5 氯离子传输过程数值模拟研究现状9

1.5.1 传输机理方面的研究9

1.5.2 扩散系数方面的研究11

1.5.3 临界浓度方面的研究12

1.6 混凝土碳化过程数值模拟研究现状13

1.7 钢筋锈蚀过程数值模拟研究现状15

1.8 细观尺度耐久性数值模拟研究现状16

1.8.1 细观模型的构建16

1.8.2 细观模型的网格划分16

1.8.3 耐久性退化过程的模拟17

1.9 本书内容简介17

第2章 混凝土的细观模型19

2.1 概述19

2.2 混凝土材料的细观组成19

2.2.1 水泥浆20

2.2.2 骨料20

2.2.3 界面层26

2.3 模型构建的一般方法27

2.4 二维模型28

2.4.1 骨料级配在二维平面上的表现28

2.4.2 圆形30

2.4.3 多边形31

2.4.4 椭圆形37

2.5 三维模型42

2.5.1 球形43

2.5.2 椭球形43

2.5.3 多面体形44

2.5.4 抽象函数型50

2.6 边界效应及周期性边界条件53

2.6.1 边界效应53

2.6.2 周期性边界条件55

2.7 本章小结57

第3章 混凝土耐久性数值计算方法58

3.1 概述58

3.2 有限单元法的基本原理58

3.2.1 微分方程的等效积分形式58

3.2.2 加权余量法中的Galerkin法59

3.2.3 空间域和时间域上的离散61

3.2.4 等参变换及Jacobi矩阵63

3.3 网格剖分66

3.3.1 自由网格剖分66

3.3.2 背景网格剖分67

3.4 物质传输的控制方程71

3.4.1 物质传输的机理72

3.4.2 方程推导73

3.4.3 边界与初始条件75

3.5 控制方程的求解过程77

3.5.1 扩散过程77

3.5.2 对流（迁移）扩散过程79

3.5.3 带消耗项的扩散过程82

3.6 稀疏矩阵技术84

3.6.1 常见稀疏矩阵存储格式84

3.6.2 CSR稀疏矩阵存储格式的实现87

3.7 计算程序的编写91

3.7.1 求解模块整体架构91

3.7.2 Jacobi矩阵计算92

3.7.3 单元及全局矩阵计算92

3.7.4 稀疏矩阵求解器94

3.8 本章小结94

第4章 骨料对水分传输过程的影响95

4.1 概述95

4.2 理论基础96

4.2.1 中子的基本特性96

4.2.2 中子成像原理97

4.2.3 水分传输模型98

4.3 材料及试验99

4.3.1 试验材料99

4.3.2 试件准备100

4.3.3 试验过程100

4.4 试验结果102

4.4.1 成像结果102

4.4.2 水分含量的分布曲线104

4.5 数值模拟106

4.5.1 水分扩散性系数106

4.5.2 有限元模型109

4.5.3 计算结果及比较109

4.6 分析与讨论112

4.6.1 骨料形状的影响112

4.6.2 其他因素的影响114

4.7 本章小结115

第5章 细观尺度上的氯离子扩散过程117

5.1 概述117

5.2 氯离子扩散的机理117

5.2.1 控制方程117

5.2.2 混凝土中的氯离子形态117

5.2.3 Fick定律119

5.2.4 骨料的影响122

5.3 细观尺度上的稳态分析方法124

5.3.1 计算过程124

5.3.2 界面层中的氯离子扩散系数126

5.3.3 均质化方法中的随机性问题128

5.3.4 随机分布类型129

5.3.5 骨料级配的影响130

5.3.6 骨料形状的影响133

5.3.7 骨料含量的影响137

5.3.8 尺寸效应的影响139

5.3.9 小结140

5.4 细观尺度上的瞬态分析方法141

5.4.1 氯离子浓度的空间变异性141

5.4.2 空间变异性的评价指标144

5.4.3 典型实例分析146

5.4.4 骨料级配的影响149

5.4.5 骨料形状的影响150

5.4.6 骨料含量的影响151

5.4.7 氯离子扩散系数的影响151

5.4.8 小结153

5.5 本章小结154

第6章 细观尺度上的混凝土碳化过程155

6.1 概论155

6.2 水泥水化的基本原理155

6.2.1 水泥的化学组成155

6.2.2 水泥水化动力学模型157

6.2.3 水化产物预测159

6.3 水泥浆碳化数学模型160

6.3.1 水泥浆的碳化机理160

6.3.2 数学模型的单位系统161

6.3.3 CO2平衡方程161

6.3.4 CH平衡方程161

6.3.5 其他平衡方程162

6.3.6 平衡方程的简化162

6.4 计算参数164

6.4.1 CO2有效扩散系数164

6.4.2 水泥浆孔隙率165

6.4.3 水分等温吸附曲线166

6.4.4 碳化反应速率170

6.4.5 孔隙溶液的pH值174

6.5 数学模型的求解175

6.6 试验验证178

6.7 细观尺度上的碳化179

6.7.1 细观尺度上的碳化深度179

6.7.2 典型算例181

6.7.3 骨料级配的影响182

6.7.4 骨料形状的影响183

6.7.5 骨料含量的影响184

6.8 本章小结185

第7章 细观尺度上的钢筋锈蚀过程186

7.1 概述186

7.2 格构式模型的基本原理187

7.2.1 核心思想187

7.2.2 背景网格188

7.2.3 单元类型和属性190

7.2.4 有限元分析192

7.2.5 单元失效准则194

7.2.6 单元的去除机制194

7.2.7 裂缝宽度的计算方法198

7.2.8 计算流程199

7.3 钢筋的锈蚀模型200

7.3.1 均匀锈蚀200

7.3.2 非均匀锈蚀204

7.3.3 计算流程205

7.3.4 试验验证208

7.4 典型算例分析210

7.4.1 计算区域的选择210

7.4.2 单钢筋均匀锈蚀211

7.4.3 单钢筋非均匀锈蚀212

7.4.4 多钢筋均匀锈蚀213

7.4.5 多钢筋非均匀锈蚀215

7.4.6 角区均匀锈蚀216

7.4.7 裂缝连通性217

7.4.8 小结219

7.5 本章小结220

第8章 工程应用221

8.1 概述221

8.2 案例一221

8.2.1 工程概况221

8.2.2 表观氯离子扩散系数222

8.2.3 钢筋开始锈蚀时间224

8.3 案例二225

8.3.1 工程概况225

8.3.2 确定计算区域226

8.3.3 确定计算参数226

8.3.4 分析结果227

8.4 案例三230

8.4.1 工程概况230

8.4.2 计算参数及模型231

8.4.3 分析结果232

8.5 本章小结233

参考文献234