基于COMSOL模拟开裂混凝土中的氯离子扩散行为

杨盛

摘  要：建立开裂混凝土中的氯离子扩散模型，运用COMSOL软件进行裂缝模拟，同时将模拟结果与开裂混凝土试验值比较，证明了文章开裂混凝土氯离子扩散模型的正确性。研究发现：当裂缝宽度小于下阈值时，裂缝尺寸对氯离子扩散无影响，当裂缝宽度大于下阈值后，随着裂缝宽度的增加，裂缝处的氯离子侵蚀深度较大，同一深度的氯浓度相对更大。

关键词：裂缝;混凝土;氯离子

中图分类号：U441.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）06-0014-02

Abstract： A chloride ion diffusion model in cracked concrete was established， and crack simulation was performed using COMSOL software. At the same time， the simulation results were compared with experimental values of cracked concrete， which proved the correctness of chloride ion diffusion model of cracked concrete in this paper. The study found that when the fracture width is less than the lower threshold， the fracture size has no effect on the chloride ion diffusion. When the fracture width is greater than the lower threshold， the chloride ion erosion depth at the fracture is greateras the fracture width increases， and the chlorine concentration at the same depth is relatively larger.

Keywords： crack; concrete; chloride ion

引言

COMSOL Multiphysics是一款有限元仿真軟件，源于MATLAB中的FEMLAB，2003年更名为COMSOL Multiphysics（以下简称COMSOL）。COMSOL提供了一个有限元仿真模拟平台，对于多物理场耦合问题，可进行数值分析，同时还提供了开放式平台，允许使用者自定义模型控制方程和相关参数。此外，软件可以自行进行网格划分与求解，省去了大量的编写相关求解程序的时间，这点优于同类软件。

本文采用COMSOL软件中的稀物质传递模块建立了裂缝模型，研究了裂缝混凝土内氯离子扩散规律的研究，证明了COMSOL有限元软件在氯离子侵蚀研究方面的适用性。

1 裂缝处氯离子传输模型

文献[1]提出裂缝的阈值范围，该文献给出了裂缝中氯离子扩散系数：

根据文献[1-3]可知D0=2.03×10-9m2/s，Dm=1.34×10-11m2/s;w为水灰比。本文所使用的COMSOL软件考虑了混凝土的对流效应，结合反应等过程。计算时，在给定的时间步内，某一位置的总氯浓度是自由氯化物和结合氯化物的总和。

2 裂缝中氯离子的扩散模拟

为研究裂缝中氯离子的扩散规律，本文采用文献[5]中3种裂缝进行模拟，它们的尺寸及拟合的扩散系数见表1。COMSOL数值模型计算区域取100mm×100mm，采用自由三角形网格，裂缝网格为0.01mm，其余网格为1mm，顶部氯浓度为0.48%，其余边界为无通量，混凝土内部氯离子初始浓度C0=0，设置时间为30d，步长1d，计算结果如图1：

从图1可以看出，当裂缝宽度小于下阈值时，氯离子扩散与完好混凝土中无异，当裂缝宽度大于下阈值后，随着裂缝宽度的增加，裂缝处的氯离子侵蚀深度较大，同一深度的氯浓度相对更大。由此可见，裂缝对氯离子扩散的影响是显著的。

图2显示出氯离子在开裂混凝土的扩散速率是逐渐减小的，距离扩散表面较近处的浓度增长速率较大，反之较小。此外，COMSOL模拟曲线与实验值的拟合较好，两者之间存在的误差一是由于实验值的离散性，二是由于实验测定时所采用的钻芯取样法所取的芯样是一个范围，根据扩散曲线的非线性可知，靠近外部的浓度比内部更大，以芯样平均值代替圆心处的浓度是稍微偏大的，所以COMSOL模拟曲线与真实氯离子扩散规律是相吻合的。因此， COMSOL模拟开裂混凝土中氯离子的扩散是准确合理的。

3 结束语

（1）COMSOL软件在氯离子扩散方面适用性较好。

（2）本文开裂混凝土中氯离子扩散模型与实际情况相符，可应用于工程实践。

（3）当裂缝宽度小于下阈值时，裂缝尺寸对氯离子扩散无影响，当裂缝宽度大于下阈值后，随着裂缝宽度的增加，裂缝处的氯离子侵蚀深度较大，同一深度的氯浓度相对更大。

参考文献：

[1]张红光，王曙光，刘伟庆，等.开裂混凝土内氯离子扩散机理及数值模拟研究[J].混凝土，2014（9）：19-25.

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[3]Li Yue， Chen Xiaohan， Jin Liu， et al. Experimental and numerical study on chloride transmission in cracked concrete[J]. Construction & Building Materials，2016，127：425-435.

[4]Scott Thompson Shill. Chloride Penetration into Concrete Structures Exposed to the Marine Atmosphere[D]. Florida Atlantic University August，2014.

[5] ahmaran M，. zgürYaman.. Yaman. Influence of transverse crack width on reinforcement corrosion initiat[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2008，35（3）：236-245.