混凝土硫酸根离子扩散系数的研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 0 4 混凝土硫酸根离子扩散系数的研究 梁 咏宁 ,王佳 , ( 1 福州大学 土木工程学 院,福建 福州 3 5 0 1 0 8 ;2 孔海新 ,季韬 山东省 日照市环境卫生管理处 ,山东日照 2 7 6 8 0 0 ) 摘要
2、 : 基于 F i c k第二定律 , 通过测定不同水灰比 、 不 同时间下混凝 土内部不 同深度处硫酸根离子 的浓度 , 进行混凝土硫酸根离子扩散 系数的分析, 同时用 ma t l a b对试验结果进行数据拟合 , 建立了混凝 土硫酸根 离子扩散系数与水灰 比、 时间的关系表达式。结果表明 : 混凝 土硫酸根离子扩散系数随水灰 比的增大呈线性增长, 随时间 的增长呈指数 衰减 。 将建立 的表达式的计算结果与实测结果对比分析 , 误差很 小 , 所建立的表达式可用于硫 酸盐腐蚀环境中混凝土 内部硫酸根离子浓度 的预测 。 关键词 : 硫酸根离子 ;混凝土 ;扩散系数 中图分类号: T U5
3、 2 8 0 l 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 1 1 - 0 3 St udy of s ulf a t e di ffus i on c oe ffi c i e nt i n co nc r e t e LI ANG Yo n g- n i n g , WAN G J i a , KONG Ha i - xi n 2 J T a o ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g , F u z h o u Un i v e r s i t y, F
4、t t z h o u 3 5 0 1 0 8 , C h i n a ; 2 Ri z h a o En v i r o me n t a l S a n i t a t i o n Ad mi n i s t r a t i v e De p a r t me n t , Ri z h a o 2 7 6 8 0 0, Ch i n a ) Abs t r a c t : By u s i n g t h e F i c k S s e c o n d e s t a b l i s h e d l a w a n d me a s u r i n g t h e s u l f a t
5、e i o n c o n c e n t r a t i o n u n d e r d i f f e r e n t wa t e r c e me n t r a t i o s a n d d i ffe r e n tt i me si nt h ed i f f e r e n t d e p t h so f c o n c r e t e t h e c o n c r e t e d i f f u s i o n c o e f h c i e n t wa s a n a l y z e d M e a n t i me thet e s t r e s u l t s
6、 a r e s i mul a t e db yma t l a b a n d t h e r e l a t i o n o fs u l f a t e i o n d i m l s i o n c o e 伍 c i e n t wi th wa t e r c e me n t r a t i o a n d t i m e j S e s t a b l i s h e d Th e r e s u l t s s h O W: the c o n c r e t e d i f f u s i o n c o e 佑 c i e n t i n c r e a s e s l
7、 i n e a r l y a l o n g wi t h t h e g r o wt h o f wa t e r - c e me n t r a t i o a n d r e d u c e s e x po n e n t i a l l y a l o n g wi m t h e g r o wt h o f t i m e Th e p r e d i c t i o n i s c o ns i s t e nt wi t h t h e c o n c l u s i o n o f t h e s u l f a t e i o n d i fl us i o n
8、c o e ffi c i e n t e x p r e s s i o n s Ke y w or ds: s u l f a t e ; c o n c r e t e ; di f ill s i o n c o e f fic i e n t 0 引 言 硫酸盐侵蚀混凝土是一个复杂的物理化学过程。 在实际工 程中, 混凝土结构受硫酸盐侵蚀破坏 , 往往是多种因素综合作 用的结果。 硫酸根离子的扩散系数能较准确地描述硫酸根离子 在混凝土内部的扩散速度的快慢, 能反应出混凝土内部硫酸根 离子浓度的分布 , 是混凝土内部膨胀应力建立的基础, 因此 , 选 择适当的硫酸根离子侵蚀模型, 建立
9、混凝土硫酸根离子扩散系 数的表达式对混凝土的硫酸盐侵蚀研究有着重要的意义。 关于混凝土硫酸根离子扩散系数的研究 , P e t e r J T u mi d a i s k i 等利用 F i c k第二定律建立了s _ 浓度与s o; - j 广 散深度及时问关 系的理论模型 1 , 并利用这理论模型建立了在氯离子和硫酸根离 子的混合溶液 中扩散系数与时间的关系。 1 9 9 6年, P G o s p o d i n o v , R K a z a n d j i e v a 和 M Mi r o n o v a 研究了混凝土的孔 隙率 对硫酸根 离子扩散系数的影响目 , 表明硫酸根离子在
10、混凝土内部的扩散程 度可以通过混凝土的抗压强度和孔隙率来确定。 1 9 9 9 年, P e r N Go s p o d i n o v , R o b e F K a z a n d j i e v通过考虑硫酸根离子扩散系数 及扩散初始条件和边界条件口 I , 建立了硫酸根离子扩散的数学 模型, 此模型能描述化学产物如何影响硫酸根离子的侵蚀过程。 2 0 0 8 年, 左晓宝、 孙伟等根据 F i c k第二定律建立了硫酸根离子 在混凝土中的非稳态扩散反应方程 , 利用有限差分法求解该 收稿 日期 :2 0 1 0 1 0 1 6 基金项 目:福州大学科技发展基金 ( 2 0 0 8 一
11、XQ一 4 ) 方程获得了硫酸根离子在混凝土中的浓度分布规律。 但关于水灰 比对硫酸根离子扩散系数的研究相对较少。 水灰比是影响硫酸 盐侵蚀混凝土的一个重要因素。 混凝土的水灰比越低, 密实度越 高, 侵蚀溶液就越难渗人混凝土的内部四 。水灰比对硫酸根离子 扩散系数 的影响至关重要 , 本文在试验的基础上 , 基于 F i c k第 二定律 , 通过测定混凝土内部不 同深处硫酸根离子的浓度 , 研究 水灰比、 侵蚀时间对混凝土硫酸根离子扩散系数的影响。 1 试 验 研 究 1 1 试验 原理 F i c k第二扩 散定律将硫 酸根 离子的扩 散系数和时 间联 系 起来, 直观地反映结构的耐久性
12、。 假定混凝土中的孔隙分布是均 匀 的 , 硫酸根离子在混凝 土中的扩散是一维扩散 , 浓度梯度仅 沿着暴露表面到内部的方向变化, 混凝土表面浓度为恒定 , 并且 混凝土为半无限介质 , 通过以上的假定, 并运用 F i c k第二扩散 定律得到 : c ( , t ) : c 0 + ( C , - C o ) 【 1 一 e 2 、 D f) 】 ( 1 ) 式 中: C ( x , t ) 硫酸根离子 的浓度 ; 结构暴露于硫酸根离子环境中的时间; 侵蚀 的深度 ; D硫酸根离子在混凝土中的扩散系数 ; 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 令 初始浓度 ; 表
13、面浓度 。 由式( 1 ) 移项可得 : C ( x , f ) 一 c 0 = ( C o ) B e 2 ) c ( x , t ) 一 C C l ( , t ) C 一Co =C l 则 : C ( , t ) = i 1 一 e x 2 x b t) 】 ( 2 ) 通过测定 C o 、 C ( x , t ) , 然后得到 C 。 ( , t ) , 。 。 并利用式( 2 ) 来 计算 D。 由于式( 2 ) 中的D不存在显示解, 因此采用 ma t l a b编程 计算得到 。 1 2 原材料 ( 1 ) 水泥: P O 3 2 5级水泥, 其主要参数见表 1 。 表 1 水泥
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