多因素作用下钢筋混凝土构件氯离子扩散系数模型.pdf
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1、第 3 3卷 第 1期 2 0 1 1牟 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a o f Ci v i l ,Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g V0l _ 3 3 No 1 Fe b 2 O1 1 多因素作用下钢筋混凝土构件氯离子扩散系数模型 滕 海 文 ( 北京工业大学 a 建筑工程 学院; b ,舒 正 昌 , 黄 颖 城 市与 工程 安 全 减 灾省 部 ,霍 达 共 建教 育部 重 点 实验 室 , 北 京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 : 通过 对
2、钢 筋混凝 土氯 离子 侵蚀机理 的分析 , 在 F i c k第二 扩散 定律 基础 上 , 建 立 了综合 考虑 水灰 比、 湿度 、 时间 、 温度 、 混凝土材 料 对氯 离子 结合作 用等 多 因素作 用下 的 氯 离子 侵蚀 模 型 , 并给 出了考虑边界 条件的侵蚀模 型数 学 解。通过 对 长期 现 场暴 露试 验数 据 分析 , 验 证 了该侵 蚀模 型的 有效性 和可 靠性 。与传统 的 F i c k第二 扩散定律模 型对 比并分析得 : 该 模 型不仅 能反 映结 构 实际 受 氯盐侵蚀 的发展趋 势和混凝 土不 同深度 处 的氯 离子 浓度 , 而且能 预测 不 同
3、时期 钢 筋 处的氯 离子 含 量和钢 筋开始锈蚀 时间。 关键词 : 侵 蚀 ; 扩散 系数 ; 多 因素 ; 钢 筋混凝 土构件 中图分类 号 : T U5 2 8 0 1 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 1 2 0 5 Chl o r i d e I o n Di f f u s i o n Co e f f i c i e n t M o d e l o f R C El e m e nt s unde r M ul t i pl e Fa c t o r s T ENG Hal we n。 , SHU Zh
4、 e n g - c h a n g。, HUANG Yi n g。, HUO Da。 , ( a Co l l e ge of Ar c hi t e c t ur e a nd Ci vi l En gi ne e r i ng; b Ke y La b of Ur b a n S e c ur i t y a n d Di s a s t e r E n g i n e e r i n g。 MOE,Be i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Be ij i n g 1 0 0 1 2 4, P RCh i n a )
5、Ab s t r a c t :Ba s e d o n t h e a na l y s i s o f c hl or i de i on i nd u c e d e r o s i o n me c h a ni s m o f r e i nf or c e d c on c r e t e a nd t he Fi c k s s e c o nd l a w ,a mul t i f a c t o r mo d e l o f t he c h l o r i de i o n e r o s i o n i s e s t a b l i s h e d I n t hi s
6、 mo d e l , t he i nf l u e n c e s o f wa t e r c e me n t r a t i o, hu mi di t y, t i me, t e mpe r a t u r e, a n d c h l or i de i o n b i n di ng c a pa c i t y o f c o n c r e t e a r e t a ke n i nt o c on s i de r a t i on, a nd t h e m a t he ma t i c s o l ut i on t o t he n e w mod e l i
7、 s p r o vi de d b y C On s i de r i ng t he b o un d a r y c on d i t i o n s The ne w mo de l i s v e r i f i e d b y a n a l y z i n g t he l o ng t e r m e x p os e d e xp e r i me n t d a t a Co mp a r e d wi t h t he t r a di t i o n a l mo d e l of Fi c k s s e c o nd l a w , t h e mod e l c
8、a n i n di c a t e t he de v e l o p me n t t r e n d o f t he s t r u c t u r e e r o de d b y c hl o r i d e a nd t he c h l or i de i o n c on c e nt r a t i on i n d i f f e r e n t d e p t h, a n d a t t h e s a me t i me,i t c a n p r e d i c a t e t h e c hl o r i n e i o n c o n c e nt r a t
9、 i o n o n r e b a r s u r f a c e i n di f f e r e n t c o r r o s i on pe r i o ds a n d t h e i ni t i a t i o n c o r r o s i o n t i me o f r e i nf o r c e m e n t Ke y wo r ds :e r o s i o n;di f f u s i o n c oe f f i c i e n t ;m u l t i p l e f a c t o r s ;R C e l e m e nt s 影响混凝 土结 构 耐久
10、性 的 因素 中, 钢筋 锈 蚀 是 最主要 的原 因之 一 , 而钝 化膜破坏是 钢筋 锈蚀 的“ 元 凶” 。在无杂散 电流环境 中 , 混凝 土 中性 化 和钢筋 表 面有 一定浓度 的游离 C l 一 是 导致 钢筋 钝化 膜破 坏 的 2 个 主要 因 素 , 通 常认 为 后者 即氯 离子 侵 蚀 引起 的钢筋锈蚀 最为直 接 、 严重 和普遍 。 混凝土结构在氯盐环境下的使用寿命取决于混 凝 土的氯离 子渗 透 性能 , 而 氯 离子 扩 散 系数 是反 映 收 稿 日期 : 2 0 1 O - 0 6 0 2 基金 项 F t: 国家 自然科 学 基 金 资 助项 目( 5 0
11、 8 0 8 0 0 5 ) ; 国家科 技 支 撑 计划 项 日( 2 0 0 6 B AJ 2 7 B 0 4 ) ; 北 京 市 自然 科 学 基 金 重 大 项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) 作者简介 : 滕海 文 ( 1 9 7 4 一 ) , 女 , 博 士 , 副教 授 , 主要 从 事结 构 耐久 性 分析 、 结构 损 伤识 别 与 维修 加 固研 究 , ( E - ma i l ) t e n g h a i we n b j u t e d u C F I 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 期 滕 海文 , 等 : 多
12、因素作 用 下钢 筋混凝 土构件 氯 离子扩散 系数模 型 1 3 混凝土抗 氯离 子渗 透性 的主要 指标 。在 常规 的 F i c k 扩散方程 中假 定氯离 子 扩 散 系数 D 为 常量 , 这 与 实 际情 况并 不吻 合 。由于混 凝土水 化 过程 需 要经 过很 长时 间才能 完成 , 因此 D 是 一 个 随 时 问 、 氯 离 子浓 度 等因素 变化 的 函数 。余 红发 在 F i c k定 律基 础 上 , 提 出了综合 考虑氯 离 子结合 能力 、 氯 离 子扩 散 系 数 的时 间依赖性 和结构 微缺 陷影 响 的实 际混 凝 土氯 离子 扩散新 方程 。吴 相豪
13、建立 了综 合考 虑 混凝 土 氯离 子结合 能力 、 氯离 子扩 散系 数 的时 间依 赖性 、 水 灰 比和应力 状态 影响 的新扩 散方 程 。 尽管 目前对 多 因素 作用 下 的氯离 子侵 蚀 模 型有 一 定研 究 , 但 仍然 存在许 多 问题 , 如考 虑 的 因素相 对 简单 , 或是在 某些 特定 条件下 的研 究 ; 或是 需 确定 的 参数 多 , 其 实用性 可操 作性有 待探 讨 ; 或方 程 中引入 的参数 本身就 是 一 个难 以确 定 的变 量 , 参 数 值 的 准 确性 有待探讨 等 。基于 此 , 该文 在 F i c k第 二定 律 基 础上建 立 了
14、综 合考 虑水 灰 比、 湿 度 、 时 间 、 温度 、 混凝 土材料 、 对氯 离 子结 合 作 用 等普 遍 因素 作 用 下 的 氯 离 子侵 蚀模 型 , 给 出 了考 虑 边界 条 件 的侵 蚀 模 型数 学解 并采 用实 测数据 进行 了验 证 。 1 氯离子扩散新模型及 其数学解 1 1 氯离子 侵入混 凝土 的现有 模型 一 般 认 为 在混 凝 土 中氯 离 子 的 扩 散 遵 循 F i c k 第二 定律 , 并 采 用 以 下假 设 :1 ) 混 凝 土 是 半 无 限均 匀介 质 ; 2 ) 氯离 子扩散 时不 与混 凝土 材料 结 合 ; 3 ) 氯 离子 扩散
15、系数 D 是 1 个 常数及 2个边 界条 件下 确定 的 :t一 0 时 一 0, 0 C X D; 一 0 时 , C 一C , O t C x D。F i c k第 二定律 可表 示为 : 3 C 一 f D 1 ( 1 ) 其 数学 解为 : C。 ( 1一 e r r ) ( 2) 2 式 中 : 为距 混凝 土表 面 处 的氯 离子浓 度 ; C 。 为 混凝 土表面 的氯 离子 浓 度 ; z为距 离 构 件表 面 的 深 度 ;t为 曝 露 时 间 ; e r f为 误 差 函 数 ,e r r ( u ) 一 e d u 。 1 2考虑 多 因素 作用 下的有 效氯 离子 扩
16、散 系数 1 2 1 水灰 比的影 响 氯 离 子在 混 凝 土 中 的扩散 主要受 水泥石 毛 细 孔 的影 响 , 而 水 泥 石 的 毛 细孔 是 混凝 土水灰 比 的 函数 , 所 以水 灰 比对 混 凝 土 扩散 系 数 的影 响 占有 主 要 地位 , 随水 灰 比的 降 低 扩 散 系数 减小 。但由于扩散系数 与水灰 比的关 系 比较 复 杂 , 目前 没 有 建 立 统 一 的 公 式 。该 文 以标 准 养 护 2 8 d试 件实测 的氯离 子扩 散 系数 作 为参 照 氯离 子 扩 散系 数 D 。, 反 映 结 构水 灰 比 的不 同。考 虑 到 湿度 因 素 的影响
17、, D。 建议 采用 AS TM C 1 2 0 2或 NE L渗 透试 验方法 测得 l 5 _ 6 , 因为 这 2种测 试方 法 在测 试前 对试 件进行 饱水 或饱盐 处理 , 相对 湿度达 到 1 0 0 。 1 2 。 2相 对湿度 的影 响 氯 离 子扩 散 需要 在 连续 的水通 道 内进 行 , 而相 对 湿 度 的大 小 影 响 混 凝 土 内 部 水通 道 的尺 寸 和数 量 , 因 此 氯离 子 在 混 凝 土 中 的 扩 散速 度随相 对 湿 度 的 降低 而 减 小 , 并 存 在 临界 相 对 湿度 。考 虑相对 湿度 因素 的氯离 子扩 散 系数计 算 公 式为
18、 _ 7 : D 一 D ( 1 + ) ( 3 ) D 为相 对湿 度为 h时 的氯离 子 扩散 系数 ; h为混 凝 土 中 的相对湿 度 ; h 为临 界相对 湿度 , 一般取 7 5 。 1 2 3 时间 因素 的 影 响 随 时 间 的延 续 , 水 泥 水 化程 度越 高 , 则混凝 土 的密实度 越高 , 从 而 阻碍氯 离 子 的扩散 。研究 表 明氯离 子扩散 系数 与 时 间的关 系 可用 幂 函数规 律描述 L 8 , 即 : D = = = D: I ) ( 4 ) 式 中 D 为 t 时 间的扩 散系数 ; T 为 时问衰 减系数 。 时 间衰减 系数 T 与混 凝
19、土材 料 有关 , 已有 研 究 成果 表明 1 , 对于普 通混 凝土 m值 在 O 2 5左 右 , 对 于掺 粉煤灰 和矿 渣时 的 T 值在 0 6左右 。 1 2 4 温度 因素 的影 响 温 度对 扩 散 系数 有 显 著 的影 响 , 扩 散 系 数 随 着 温 度 的 上 升 而 变 大l 1 , 同 时 结合性能又随着温度 的升高而降低。施惠生 等口 研 究指 出 :4 0 时 测 得 的 扩 散 系 数 值 为 1 O 时 的 3 4倍 。北美 L i f e 3 6 5 l_ l 叩也给 出 了温度 对扩 散 系数 影 响 的计 算 公式 , 并 且 与施惠 生研究 结
20、果基 本一 致 , 该 文采用 北美 L i f e 3 6 5给 出的计 算公 式 D = D zs p ( 一 ) D 为温度 T 时 的扩散 系数 ; T 。 。 为养护 2 8 d时的绝 对 温度 , 一般取 2 9 3 K; U为扩散 过程 的激 活能量 , 取 3 5 0 0 0 J mo l ; R 为气 体 常数 , R 一 8 3 1 4 J ( too l K) 。 通过 以上 分析 , 得 到 同时 考 虑 上述 影 响 因素 的 有效 氯离 子扩 散系数 D,I 1 : D 一 ( + 等 ) 一 ( 等 ) e xp ( 一 ) 1 3考 虑氯 离子结 合作用 的 自
21、由氯 离子浓 度 Cr 氯离 子在侵 入混凝 土 的过程 中与 混凝 土材 料 结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 合 , 一部分被化学 结合生成 新 的水 化物 , 一部 分被 物 理 吸附 , 从而 降低 了氯离子 在混凝 土 中的扩 散速度 , 也 减 少 了 到 达 钢 筋 表 面 并 积 累 的 数 量 。 P S a n d b e s g _ 1 、 T U Mo h a mme d 、 东南大 学 和南科 院等分别通过在实验室环境检测及长期暴露试验得 出总氯离 子与 自由氯离 子 之间 是
22、 线性 关 系 的结 论 , 因此采用线 性关系 , 即 : Cf一 口 C ( 7 ) c为 z处 总氯离子浓 度 ; C r 为 处 自由氯离子浓 度 ; a为 氯离 子结合 系数 。 对于 a的取 值 , 综合 美 国联邦公 路管理 局 、 东 南 大学 、 南 科 院 、 日本 港 湾 研究 所 及 金祖 权 研 究 成 果及基 础上 , 取 一0 8 5 。 1 4同时考虑 多因 素的 氯 离子 扩散 新模 型 及 其数 学解 1 4 1 新模 型 的推 导 由于 : 1 ) 侵 入 混凝 土 的氯 C C 1 e r r 离子 中只有 自由氯 离 子参 与 钢筋 的 锈蚀 反应 ;
23、 2 ) 由 式 ( 6 ) 知 , 氯 离子 有效 扩 散 系数 D 与深 度 3 2无关 。 则 式 ( 1 ) 可 改写为 : a C at ( 8) 式 中 D 为 考虑 多因素 的有效 氯离子扩散 系数 。 将式 ( 6 ) 、 ( 7 ) 代 入式 ( 8 ) 中 得 到 同 时考 虑水 灰 比、 湿度 、 时 问 、 温度 、 氯离子结 合作用 的氯 离子 扩散 理论模 型 : 筹一 ( + ) 一 exp ( 去一 ) 舅 1 4 2 新模 型 的数 学解 对 于方 程 ( 9 ) , 边 界条件 是 : t: 0时 C 一 0, 0 9 2 。 。; z一 0时 , C 一
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