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