人工气候环境下水工混凝土钢筋初始锈蚀时间预测.pdf

第 3 0卷第 5 期 V o 1 3 0 N o 5 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e an d Te c h n o l o o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 0年 1 0月 Oc t 2 0l 0 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 0 0 5 0 0 3 人工气候环境下水工混凝土钢筋初始锈蚀时间预测 王梁英 ， 刘华挺 ， 张俊芝， 周建民， 郑 辉 ( 浙江工业大学建筑工程学院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 根据人工气候环境下的混凝 土侵蚀试验测得的混凝土 中氯 离子质量分数 ， 分别研 究了腐蚀 2 4d ， 4 0 d ， 8 0 d ， 1 2 0 d和 1 6 0 d后混凝土的氯 离子扩散参数 ， 基于 F i c k第二 定律和 Mo n t e C a r l o法模拟 了混凝土中钢筋的初始锈蚀时间。结果表明， 在人 工气候环境 下混凝土保护层有效厚度对水工混 凝 土钢 筋初 始锈 蚀 时 间的影 响较 大。 关键词 ： 混凝土 ； 人 工气候环境 ； 氯 离子 ； 钢筋； 初始锈蚀时间 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 5 一 O O O 9 0 3 P r e d i c t i o n o fi n i t i a l c o r r o s i o n t i n o f s t e e l b a r s in h y d r a u l i c c o n c r e t e u n d e r a r t i fic i a l c l i ma t e e n v i r o n me n t W A NG L i a n g - y i n g ，Uu H u a - t i n g ， z HA N G J u n - z h i ，z H 0 u J i a n - m i n ，Z H E N G H u i ( C o l le g e o fA r c h i t e c t u r e a n d C iv i l E n g i n e e r i n g ，Z h e j ia n g U n i v e r s i ty of n o l o g y ，H a n g z lwu 3 1 0 0 1 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：A c c o r d i n g t o t h e c o n c e n t r a t i o n s o f c h l 0 d d e i O R S i n c o r r o s i o n t e s t s o n c o n c r e t e u n d e r a r t i fi c i a l c l i ma t e e n v i r o n me n t ，t l e d i ff u s i o n p a r a me t e r s o f c o n c r e t e a f t e r c o r r o s i o n o f 2 4， 4 o ，8 0 ，1 2 0 a n d 1 6 0 d w e r e s t u die dT h e i n i t i a l c o r r o s i o n ti me o f s t e e l b a r s i n c o n c r e t e w a s s i mu l a t e d b a s e d o n t h e r i c k S s e c o n d l a w b y u s e o f the Mo n t e - Ca r l o me tho dTh e r e s ult s s h o w t h a t 山e e ff e c ti v e thi c k n e s s o f c o n c r e t e p r o t e c t i v e l a y e r h a s g r e a t i n flu e n c e o n the i n i t i al c o r r o s i o n t i me o f s t e e l b a r s i n h y d r a uli c c o n c r e t e u n d e r the d e s i g n a r t i fic i al c l i ma t e e n r o n me n t Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ：a J t mc i a l c l i ma t e e n v i r o nm e n t ：c h l d e i o n ；s t e e l b ar ；i n i t i al c o r r o s i o n t i me 已有研究表明 ， 钢筋开始锈蚀后将在较短时 间 内致使保护层开裂破坏_ 1 ， 即标志着混凝土构件达 到了其耐久性寿命。所 以， 混凝土构件 的耐久性寿 命研究多是关于钢筋表面的氯离子质量浓度达到钢 筋锈蚀临界浓度的时间预测 3 。 实际上 ， 自然环境下混凝土 中氯离子 的迁移是 一 个复杂的随机过程 ， 一般试验模拟氯离子的扩散 性能与 自然腐蚀有较大 的差异_ 5 _5， 现有的室内模拟 试验方法或多或少地存在一定的局限性 _ 6 ， 氯离子 的长期扩散性及初始锈蚀时间的分析需要根据 自然 环境下的侵蚀情况进行修正l 7 。 笔者根据人工气候环境下的腐蚀试验水工混凝 土中氯离子分布的结论 ， 以 r i c k第二定律和 M o n t e C a r l o 法为基础 ， 分析该环境下水工混凝土钢筋的初 始锈蚀时间， 并研究该环境下钢筋初始锈蚀 时间的 主要影响因素。 1 人 工气候 环境氯离子侵蚀试 验 1 1 试验 原材 料及 配 合 比 人工气候环境下的腐蚀试验， 混凝土采用钱潮牌 P 0 3 2 5 R水泥， 所用骨料 的最大粒径为 4 0 H 朋， 砂子 采用河沙， 其细度模数为 2 7 ， 拌和用水及养护用水为 当地 自来水。为模拟既有混凝土( 水闸闸墩 ) ， 按推定 水闸的闸墩混凝土水灰比为 0 6 1 5 试验 ， 不掺加任何 外加剂。粗骨料的最大粒径为 4 0 B i n ， 所有试件配合 比的砂率均采用 3 2 0 ， 混凝土的配合 比( 质量比) 为 m c ： ms ： n G ： mw=1 0 0 ： 1 9 5 ： 4 1 5 ： 0 6 1 ， 坍落度为 5 1 0 c m。按照规范_ 8 J ， 2 0 静水养护 2 8 d的实测标准混 凝土试块的抗压强度为 2 0 MP a 5 J 。 1 2 试验方法及试件氯离子质量分数 本次试验考虑温度 、 湿度 、 氯盐浓度 3个环境 因 素 。试验中设 置了 4个环境条件 ， 相对应于该 闸所 处位置的春夏秋冬 四季 。考虑 到需要加速腐蚀 ， 试 验时气温采用该位置季平均气温的 2倍。参考背景 基金项 目： 国家 自然科学基金( 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 作者简介 ： 王梁英( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 浙 江嵊州人 ， 硕 士研究生 ， 从事混凝土结构耐久性研究 。E - m a i l ： w a n g l i a n g y i n g g 1 6 3 c o m 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 5 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u m h t t p： k k b h h u e d u C n 9 工程的气象资料 ， 人工气候的温度与湿度循环在春 夏秋冬 四季分别为 ( 温度 相 对湿度 ) ： 3 4 C 7 8 ， 5 3 8 0 ， 3 4 8 0 和 l 2 7 5 【 。根 据上述 配合比制作直径 1 0 0 i n i n 、 高度 6 0 m lT l 的混凝土试块 ， 每个腐蚀时间各 3个试块。考虑到水工混凝土的实 际养护时间一般较长 ， 故试验混凝 土标准养护 2 8 d 后在 自然环境下再养护 2 8 d ， 即制作 5 6 d后在底边 及 四周涂抹环氧树脂 ， 以保 证其向上面为氯离子 的 侵蚀面 。 试验 中用 5 的盐雾从上部 向下喷洒 ， 以加速 腐蚀 。结合 闸墩混凝 土取样位置潮水 位的波动特 征 ， 设置喷雾腐蚀时间为 2 h ， 干燥腐蚀时间为 4 6 h 。 按照上述 设定 的环境条 件依 次循 环 ， 相 当于经历 4个气候环境后为 1 个 大循环 ( 即 8 d为 1 个 大循 环 ) 。 上述试件分别经过 2 4 d ， 4 0 d ， 8 0 d ， 1 2 0 d和 1 6 0 d 的腐蚀后 ， 将混凝 土按 21 ll n的规格磨成粉末 ， 置于 烘箱 内 2h之后取出冷却至室温待用。混凝土中 自 由氯离子 质量分 数用美 国 T h e r m o 7 2 0 A酸度计 测 定 。其 中， 腐蚀 1 6 0 d的混凝土为相同环境和配合比 试验构件( 梁 ) 在支座处 ( 未受力状态 ) 的芯样l 5 J 。 测得 5 个腐蚀时间段混凝土中 自由氯离子质量 分数均值如图 1 所示 ， 其 中 1 6 0 d的为腐蚀试验的梁 支座端点的混凝土。 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 l 6 l 8 2O 2 2 2 4 2 6 2 8 30 距离试什表面深度 mm 图 1 混凝 土中的氯离子质量分数随深度变化情 况 分析结果表明， 人工气候环境下的混凝土表面 存在明显的对流区， 其对流区的厚度均值随腐蚀时 间的增加而增加。因此 ， 人工气候环境下 的氯离子 侵蚀试验结果与 自然环境下侵蚀的特征类似E 5 , 7 。 2 混凝土氯离子扩散参数与钢筋初始锈蚀 时间预测 2 1 混凝土氯离子扩散参数 假设一维状态下的氯离子扩散 ， 其扩散系数和 混凝土表面氯离子质量分数为常数 ， 在稳定扩散 区 以 F i c k 第二定律描述其扩散过程， 即有确定性 的氯 离子的扩散方程如下 ： ， C 。 + ( C s C o ) 【 1 e 【 J J ( 1 ) 式中： C o 为混凝土初始氯离子质量分数， ； C 为 混凝土表面的氯离子质量分数 ， ； D 为混凝土 的 扩散系数 ， m 2 s ； C x 为时刻 t 距离混凝土表面 处 的氯离子质量分数 ， ； 为混凝土暴露于氯离子侵 蚀环境的时间 ， s ； e ft ( *) 为误差函数。 以式( 1 ) 用最小二乘法拟合混凝土扩散参数 ， 侵 蚀时间取试验 的腐蚀 时间； 将混凝土 中各深度处的 坐标值 ( ， C x ) 代人式( 1 ) 。 由于人工环境下靠近混凝土表面的氯离子质量 分数并不符合扩散规律 ， 则从混凝土表面开始依次 排除不符合的数据 ， 用其余的数据拟合式 ( 1 ) ， 要求 以相关系数 R 尽可能接近 1 作为拟合优度的检验， 如果不满足该条件则在拟合过程 中继续从混凝土表 面依次排除数据 ， 直 到对 R 满意。这个过程可 以 识别对流区和扩散区 J 。在对流区 ， 数据偏离 了拟 合 曲线 ； 在扩散区， 氯离子主要通过扩散传输。 因此 ， 在排除对流区的数据后 ， 以对流区和扩散 区界面为扩散表面来拟合以下方程 ： rf( ) (2 ) 式中： C 为对流区与扩散区界面处氯离子的质量分 数 ； 为对 流区厚度 。 由于试验混凝土中均未掺加任何外加剂 ， 故混 凝土 C =0 ， 式( 2 ) 即为 rr( ) 2 2 钢筋初始锈蚀时间预测的 M o n t e C a r l o 法 以氯离子扩散系数为常数 的初始锈蚀 时间预 测 ， 利用排除对流区氯离子质量分数值的扩散参数 ， 则氯离子扩散 自对流区与扩散 区的界面开始模拟。 对式( 3 ) 进行变换 ， 可得 e rf- ( ) r J! = 【 I 川 式中： t 为钢筋初始锈蚀 时间； C 血 为临界氯离子质 量分数。 在 已知式 ( 4 ) 中各参数随机特性的基础上， 可利 用 Mo n t e 。 C a r l o 法进行 t 的预测模拟计算。 根据上述方法 ， 可对人工气候环境下 5个腐蚀 时间段氯离子质量分数均值进行扩散参数 的拟合 。 设表面氯离子质量分数及扩散系数均为常量 ， 临界 氯离 子 质 量 分 数 均 值 为 0 1 8 ， 其 标 准差 取 为 0 0 2 ， 服从对数正态分布l ； 混凝土保护层厚度 的 标准差取为 5 砌 。在上述条件下 ， 可计算不同保护 层厚度均值时的 t 。 1 0 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 o ( 5 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： 矗h h u e d u m h t tp： k k b h h u e d u m 6 4 2 0 8 6 4 2 O 1 1 1 l O 0 O O 、 求删蟋 傩灏 用 M0 n t e C a r l o 法模拟 2 0 0 0 0次 ， 求得不 同保 护 层厚度均值时人工气候环境下不 同腐蚀时间的水工 混凝土中 t 的均值 ( 表 1 ) 。 表 1 人 工气 候环 境下的 注 ： 表示混凝土保护层厚度均值 。 从表 1可知 ， 随着混凝 土保 护层有效厚度 ( 均 值) 的增加 ， 各腐蚀时间段的混凝土钢筋初始锈蚀时 间均值也延长 ， 与已有结论一致l 3 ； 外界氯离子质量 分数保持不变时， 腐蚀前期氯离子扩散系数较大 ， 在 混凝土内部保留一定 的氯离子质量分数值 ， 而后期 氯离子扩散系数较小 ， 氯离子质量分数基本保持不 变 ， 其钢筋初始锈蚀时间均值相对增加 。另外 ， 根据 计算 ， 钢筋初始锈蚀 时间的标准差随腐蚀 时间的增 加而变大 ， 但是变异系数较为稳定 。 经过检验 ， 上述 钢筋初始锈蚀 时问服从 对数正 态分布 ， 如腐蚀 8 0 d ， =2 0 n n时的密度 函数为 ，、 1 r ( 1 n 一3 7 3 3 ) 1 ， 、 L ， 。 p 【 一 J C 50 6 4 0 2 2 7 c U O 4 L 广 不同保护层厚度均值 ( 标准差均为 5 n 3 n ) 时钢 筋初始锈蚀时间的均值如图 2所示 。 图 2水 工 混 凝 土 t i 与 的关 系 上述结果表明 ， 在试验条件下 ， 增加混凝土保护 层 的有效厚度是提高混凝土耐久性 的重要措施。另 外 ， 混凝土中钢筋初始锈蚀时间随着混凝土保护层 厚度均值 的增加差距越来越大。 3 与 自然扩散法的比较 根据试 验数据 ， 利 用 M o n t e C a r l o法进行 模拟 ， 人工气候 环境下腐蚀 8 0 d ， 可得 分别 为 4 0 IT I IT I ， 4 5 1 Y lr fl ， 5 0 m i l l ， 5 5 n l T l 和 6 0 1 T I1 T I 时的 t 。不 同 时 t 的概率密度 、 概率分布如 图 3和图 4所示 。 翎 释 甜 图 3 混凝 土( 腐蚀 8 0 d ) t 的概率密度 图 4 混凝土 ( 腐 蚀 8 0 d 的概 率分布 模 拟得 到 为 4 0 ff l n ， 4 5 m n q ， 5 0 IT I IT I ， 5 5 m m， 6 0 1 T n T I 时 的 t 分 别 为 2 0 7 1 d ， 2 6 4 3 d ， 3 2 8 6 d ， 4 01 0d， 4 7 8 6 d 。 同时进行 了自然扩散法试验 ， 其混凝土 的水灰 比与人 工气 候环境 下 的差别 很小 ( 为 0 6 0 ) 5 3 ， 但 2种方法得到的 t 有一定的差异。图 5是 2种方法 t 的对 比。 图 5 人工气候环境 下腐蚀 8 0 d 和 自然扩散法的水工混凝土 由于人工气候环境条件下的混凝土养护时间为 5 6 d ， 腐蚀时间也达到 8 O d ， 从养护时间上分析 ， 其扩 散系数应 比 自然扩散法 ( 养 护 2 8 d ， 浸泡 于 N a C 1 溶 液 中 3 5 d ) 得到的低 ， 故其钢筋初始锈蚀时间均值大 于自然扩散法的初始锈蚀时间均值。因此 ， 在标准 养护 2 8 d后的 自然养护时间对钢筋初始锈蚀时间有 一 定 的影响 ， 但不是很大。相对比较 ( 下转第 5 6页) 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 5 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a il ： j z h h u e d u m h t tp： k k b h h u e d u m 1 1 图 3 统计模型界面 图 4 资料分析界 面 等特性。系统 由测点与仪器管理 、 数据处理 、 资料维 护 、 报表 、 图形 、 资料分析和系统管理等组成。 该系 ( 上接第 1 1页) 分析 ， 2种试验环境下钢筋初始锈蚀时 间的均值模 拟计算结论是可信的。 需要说明的是 ， 上述结论是在给定配合 比和设 定气候环境条件下得到的。由于腐蚀环境 因素的不 同及i 贝 0 试和计算误差的存在 ， 得到的结论是初步的。 人工气候环境下 的钢筋初始锈蚀时间与腐蚀 因素 、 荷载条件及养护时 间之 问的关 系还有待于进一步 研究 。 4 结论 a 人工气候环境下 的混凝土表面存在 明显的 对流区 ， 侵蚀试验结果类似于 自然环境下的侵蚀。 b 混凝土保 护层 的有效厚度对其 中钢筋 的初 始锈蚀时间影响很大 ； 适 当增加保护层有效厚度可 有效提高混凝土抗氯离子侵蚀的耐久性 。 c 标准养护后的 自然养护时间对人工气候环 境下钢筋 的初始锈蚀 时间有一定的影 响， 但影响不 大。人工气候环境下 ， 2 8 d标准养护后再 自然养护 2 8 d的水工混凝土 ， 其钢筋初始锈蚀 时间大于 自然 z 允即 用 将 进 一 步 友 于 军用GP s测 重 的 大 变 彤 贫 料对水库安全运行 的指导作用 ， 并推进 G P S 技术在 大坝变形监测 中普及 。 参考文献： 1E L L I O T F DK， C H R I S T O P H E R JH G P S 原理与应用I n 2版 寇艳红 ， 译 北京 ： 电子工业出版社 ， 2 0 0 7 ： 卜1 0 2李立 刚 小浪 底水 利 枢纽 大 坝 变形 特 性及 成 因分 析 J 水利水 电科技进展 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 9 4 3 3远近， 郑东健 ， 李波， 等 模糊可拓模型在坝体变形评价 中的应用 J 水利水 电科技进展 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 2 3 3 4 4保慧， 吴永明 基于 N E T F r a m e w o r k的智能客户端： 新一 代无接触部署方式 J 计算机应用与软件 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 5 ) ： 1 3 3 1 3 5 5 郭靖 A S P N E T开发技术 大全 M 北京 ： 清华 大学出 版社 ， 2 0 0 9 ： 4 2 1 - 4 3 0 6 S A H I LM A D O N E T2 0高级程序设计 M 汤涛， 邰晓 翠 ， 译 北京 ： 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ： 9 3 1 5 3 7王家耀， 孙群， 王光霞， 等地图学原理与方法 M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 0 7 1 1 4 8 李佳， 付强， 丁宁 C 开发技术大全 M 北京： 清华大 学出版社 ， 2 0 0 9 ： 6 4 1 6 7 9A N D R E W P ， N I C K R V i s u a l S t u d i o 2 0 0 5高级编程 M 吴雷 ， 译 北京 ： 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 8 ： 3 - 7 6 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 2 3 编辑 ： 高建群 ) 扩散法的钢筋初始锈蚀时间。 参考文献 ： 1 郑建军 ， 周欣竹， C h u n - q i n g 钢筋混凝土结构锈蚀损伤 的解 析解 J 水利学报 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 6 2 6 8 2HA N G M i n g - t e ， L I N L i h s i e n ， L 1AN G C h i h h s i n S e r v i c e l if e p r e dic t i o n o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e d s e x p o s e d t o c h l o r i d e e n v i r o n m e n t J J o u rna l o f I n f r a s t r u c t u r e S y s t e m s ， A S C E ， 2 0 0 2 ， 8 ( 3 ) ： 7 6 8 5 3马亚丽， 张爱林 混凝土结构钢筋初锈时间的概率模型 J 水利学报， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 5 ) ： 6 3 0 - 6 3 6 4 吴瑾 ， 吴胜兴 海洋环境下混凝土中钢筋表面氯离子浓 度的随机模型 J 河海大学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 8 - 4 1 5 周建民 既有混凝土及构件的氯盐侵蚀模拟试验研究 D 杭州： 浙江工业大学， 2 0 0 9 6吴建华， 张亚梅 混凝土抗氯离子渗透性试验方法综述 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ， 2 3 2 ( 2 ) ： 3 8 4 1 ， 4 6 7郑辉自然环境下混凝土氯离子侵蚀的随机性及寿命 预测 D 杭州 ： 浙江工业大学 ， 2 0 0 9 8D L T 5 1 5 0 - - 2 0 0 1 水工混凝土试验规程 S ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 一 O 卜1 2 编辑 ： 高建群 ) 5 6 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 5 ) T e ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： h h u e d u m h a p： k k b h h u e d u m