氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子扩散模型研究.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 5 期 (总 第 2 8 3 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 5 0 1 3 氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子扩散模型研究 蒋萌 ,陆宏健 ,寇新建 ,李林林 ( 1 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 ,上海 2 0 0 2 4 0 ; 2 广西壮族 自治区交通规划勘察设计研究院,广西 南宁
2、5 3 0 0 1 1 ) 摘要 : 混凝土结构耐久性降低会导致结构失效并带来巨大的经济损失 ,研究氯离子扩散规律是氯盐腐蚀环境下混凝土结构 耐久性评估 的关键工作 , 在 F i c k第二扩散定律基础上 , 建立 了考虑环境温度、 混凝土材料对氯离子结合作用 、 氯离子扩散系数的 时间性 、 混凝土应力状态和材料劣化效应 的氯离子扩散理论模型 , 通过工程算例对理论模型进行验证 , 为氯盐腐蚀环境下混凝土 结构 的耐久性分析提供了理论依据 , 最后提出进一步研究的方向。 关键词 : 混凝士耐久性 ;氯离子 ;有效扩散系数 ;扩散方程;寿命预测 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献
3、标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 6 0 4 Di ffu s i o n m o d e l s t u d y o f c h l o r i d e i on i n c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r c h l o r i n e s a l t c o r r o s i o n e n v i r o n m e n t J I A NGMe n g , L UH o n g -j i a n 2 , KO UX i n -j i a n , u L 面-
4、( 1 S c h o o l o f Na v a l Ar c h i t e c t u r e , Oc e a n and C i v i l E n g i n e e r i n g , S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y, S h ang h a i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a ; 2 G u a n g x i Co mmu n i c a t i o n s P l a n n i n g S u r v e y i n g and De s i g n i n g I n s t i t
5、 u t e , Na n n i n g 5 3 0 0 1 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e r e d u c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y wo u l d c a u s e s t r u c t u r a l f a i l ure an d b ri n g h u g e e c o n o mi c l O S S T h e s tud y o f c h l o r i d e i on d i ffu s i o n l
6、a w wa s k e y wo r k o f t he a s s e s s me n t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d ur a b i l i t y i n c hl o r i d e e n v i r o n me n t Ba s e d o n Fi c kS s e c o nd l a w o f d i ff u s i o n, t h e t h e o r e t i c a l mo d e l o f c h l o ri d e i o n d i f f u s i o n wh i c h t a
7、k e d e n v i r o nm e n t a l t e mp e r a t u r e c h l o r i d e i o n b i n d i n g c a p a c i ty o f c o nc r e t e, t i me o f di f f us i o n c o e 伍 c i e n t , s t r e s s s t a t e a n d ma t e r i a l d e g r a d a t i o n e ffe ct o f c o nc r e t e i n t o c o ns i d e r a t i o n wa s
8、 e s t a b l i s h e d the the o r e t i c a l mo d e l wa s v e rifie d b y e n gi n e e r i n g e x a mpl e, tha t p r o v i d e s the o r e t i c a l b a s i s f o r t he d ura bi l i t y a n a l y s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y i n c h l o r i d e e n v i r o n m
9、e n t fi n a l l y t h e d i r e c t i o n o f f u r t h e r s t u d y wa s p o i n t e d o u t K e yWO r d s : d ura b i l i tyo f c o n c r e t e ; c h l o r i d ei o n; e f f e c t i v ed i fl u s i o n c o e ffic i e n t ; d i f f u s i o n e q u a t i o n; s e r v i c e l i f ep r e d i c t i o
10、 n 0 引言 型进行验证。 混凝土结构的耐久性失效问题已成为当今困扰土建工 程的一个世界性 问题 , 国内外大量研究表 明, 氯盐和钢筋腐 蚀是影响混凝土结构耐久性的首要 因素【 - 2 。 我国海域辽阔 , 海岸线很长 , 大规模的基础设施建设集中在沿海地区, 已建 的海港工程多数达不到设计寿命要求 , 如上海港 自2 0 世纪 8 0 年代以来, 先后对军工路、 张华浜、 煤炭、 民生等码头进行 了改造 , “ 八五” 、 “ 九五” 期间投入码头建设资金 9 8 4亿元 , 其中4 1 _ 4 亿元用于更新改造回 。 加强混凝土结构的耐久性 研究 , 提高设计水平和施工质量 , 延长结
11、构 的使用寿命 , 是 摆在我们面前的一个很重要的现实课题和任务 。 研究氯离子扩散规律是氯盐腐蚀环境下混凝土结构 耐久性评估 的关键工作 , 本研究首先指出 F i c k 第二扩散定 律存在的主要问题, 基于 F i c k 第二扩散定律, 建立了氯盐 腐蚀环境下考虑环境温度、 混凝土材料对氯离子结合作用、 氯离子扩散系数的时 间性 、 混凝土应力状态和材料劣化效 应的氯离子扩散方程 , 求出其精确的数学解 , 给出模型中 主要参数的取值, 最后通过工程算例对氯离子扩散理论模 收稿 日期 : 2 0 1 2 1 1 - 1 5 4 6 1 氯 离子扩散 经典模 型 国内外研究机构长期以来倾
12、 向于采用 C o l l e p a r d i 提 出 的F i c k 第二定律来计算混凝土中氯离子侵蚀过程, 以扩散 为主要方式来建立氯离子在混凝土 中的传输模 型 , 不考虑 对流的影响并假设 : 氯离子扩散时不与混凝土结合 , 无化 学反应或物理黏结 ; 混凝土是半无限均匀介 质 , 是可渗 透性的且是均质 的; 氯离子扩散系数不随时间变化 。 F i c k 第二扩散定律的扩散方程为 : ! = D 兰 ! ( 1 ) a t a 式 中: 结构暴露于环境中的时间 ; 距混凝土表面的深度 ; C ( x , ) 时刻距离混凝土表面深度处的氯离子浓度。 当初始条件为 t = O ,
13、 x O时 , C = C o ; 边界条件为 t O , x = O 时 , C = C 。 。 则方程 ( 1 ) 的解为 : ! 二 : 1 一 f 1 ( 2 ) 一c , , l 一 一 l 厶 , C 一 Co 2X Dt 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中 : c 0 混凝土内部初始氯离子浓度 ; C 混凝土表面氯离子浓度 ; D 氯离子扩散系数 ; e z ) 高斯误差 函数 , 可 以表示为 : , r盯 e z ) = J e x p ( ) 出 ( 3 ) 、 J o 氯 离子在 混凝 土 中的扩散迁移过程是受很多 因素和 机制制约的过程
14、 , 在混凝土中的扩散是非线性和非稳态的 ; 氯离子扩散系数不是一个常数 , 随着混凝土龄期和环境的 温度变化而改变 , 是温度 和时间的函数 , 同时也与材料特 性有着密切关 系。 因此 , F i e k第二扩散定律模型是一 种非 常理想的简化模型, 必须对其进行修正和改进。 2 修正氯离子扩散模型的建立 2 1 氯离子有效扩散系数的确定 2 1 1 考虑氯离子结合作用的影响 进入混凝 土 内部 的氯 离子与混 凝土 材料结合 , 一部 分被物理吸附 , 一部分被化学结合生成新 的水化物 , 降低 了氯离 子扩散速度 , 减少 了到达钢筋表 面并积 累的氯离 子数量。 混凝土结合氯离子能力
15、可以通过选取适 当的氯 离子结合模 型来计算 , P e r e z 等 4 将 结合 氯离子 的模型分 为 L i n e a r 模 型、 L a n g m u i r 模型和 F r e u n d l i c h 模型 , 本研究采 用 L i n e a r 模型 : D ( B) = 旦 : ( 4 ) 1 + 1 + 0 2 e O CF 0 9 e 式 中: D( B) 考虑氯离子结合作用的氯离子扩散系数 ; D 。 参照氯离子扩散系数 ; C 结合氯离子 的浓度 ; 混凝土孔隙溶液中 自由氯离子 的浓度 ; 通过拟合氯离子分布 曲线确定 的常数 ; 。 混凝土含有可蒸发水的
16、体积比。 2 1 2 考虑混凝土的应力状态 的影响 氯离子对混凝土结构的侵蚀速度与其所处 的应力状 态有关 , 对 于海港码头来说 , 必须考 虑应力 状态对 氯离子 扩散系数 的影响。 应力状态对氯离子扩散系数的影 响可以 用系数 ) 表示 , 氯离子扩散系数与混凝土应力状态的关 系可以表示为 : D( ) 。 ) ( 5 ) 式中 : D ( ) 考虑混凝土 的应力状态影响的氯离子扩散 系数 ; , ( ) 应力状态应力状态影响系数。 2 1 3 考虑氯离子扩散系数的时间依赖性 混凝土结构在初始养护龄期 时测定 的氯离子扩散系 数随着时间的推移 , 水泥水化程度的提高增加 了混凝土 的 密
17、实度 , 从 而阻碍氯离子的扩散 。 T h o ma s 等嘲 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 : , + 、m D ( t ) = D o ( t j f 6 ) 式 中: D( t ) 考虑时间依赖性的氯离子扩散系数 ; t o 初始养护龄期 ; m衰减指数。 2 1 4 考虑环境温度 的影响 环境温度对氯离子扩散的影 响很大 , 随着环境温度 的 增加 , 氯离子的扩散能力提高, 而适宜的温度会极大提高 氯离子扩散系数。 B o d d y等同 提出的环境温度对氯离子扩 散系数的影响系数 : 。 ( ) 。 一 x p 一 U ,1 ) ( 7 ) 式
18、中: D ( ) 考虑环境温度影响的氯离子扩散系数 ; 环境温度 ; 初始养护 2 8 d的基准温度 ; 气体常数 ; 扩散过程 中的活化能。 2 1 5 考虑混凝土的材料劣化效应 混凝土材料的劣化效应反应 了混凝 土结构裂缝 、 混凝 土剥落等结构损伤对混凝土结构使用寿命 的影响。 混凝土 的劣化效应提高了混凝土的渗透性 , 增大氯离子侵蚀速度 , 对氯离子侵蚀起着促进作用, 氯离子扩散系数必须考虑材 料劣化效应的影响 : D( 叩 ) _ D 0 叩 ( 8 ) 式中 : D ( 田 ) 考斟 昆 凝土材料劣化效应的氯离子 撒系数; 材料劣化效应系数。 因此 , 由式 ( 4 ) ( 8
19、) , 氯盐腐蚀环境下考虑多种因素的 氯离子有效扩散系数 可以表示 为: 1 一 、 l 十 ( 9) e 2 2 修正的氯离子扩散方程建立及其数学解 把考虑混凝土材料对氯离子结合作用 、 氯离子扩散 系 数 的时间依赖性 、 环境 温度 、 混凝 土应力状态 和材料劣化 效应 的有效氯离子扩散 系数 D x * 代人式( 1 ) 得 到修正 的氯 盐腐蚀环境下氯离子扩散方程 : 一 x p 一 U 1 一 ,、 l 1 。 ( 1 0) 0 2 e ( a ) 初始条件 : C ( x , 0 ) = C o ( 1 1 ) ( b ) 边界条件 : 【 c C ( ( O , , t )
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