滨海环境安全壳混凝土氯离子侵蚀规律研究.pdf

2 0 1 5年 第 5期 (总 第 3 0 7 期 ) Nu m b 5 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T 髓 0RETI 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 5 0 5 0 1 7 滨海环境安全壳混凝土 氯离子侵蚀规律研究 汤志杰， 廖开星， 孔祥龙。 李毅 。 违文新 ( 苏州热工研究院有限公司 寿命中心老化管理技术研究所 ， 江苏 苏州 2 1 5 0 0 4 ) 摘要： 通过综合盐雾箱模拟滨海地区大气环境 ， 采用安全壳同等级同配合比混凝土试件 ， 经不同侵蚀时间， 研究了盐雾环境下 氯离子在安全壳混凝土中的扩散规律， 并对 F i c k s 第二扩散定律进行了修正。 用修正模型进行数值分析， 结果显示要让安全壳安 全运行 4 0年， 则钢筋保护层厚度至少为 5 1 m m； 而想延寿至 6 0 年 ， 则钢筋保护层厚度需要增加到 5 6 to n i 。 关键词 ： 滨海大气环境 ； 安全壳 ； 混凝土； 氯离子 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 - 0 0 6 6 - 0 4 Di f f us i on of chl or i de I on i nt o c ont ai nme nt c on cr e t e unde r coa s t aI e nvi r onment T ANG zh ， LL 40 Kmx mg，KONG Xi a n gl o n g， LI Yi ，T I We n x i n ( De p a r t me m o f Ag e i n g Ma n a g e me m， S u z h o u Nu c l e a r P o we r R e s e a r c h I n s ti t u t e ， S u z h o u 2 1 5 0 0 4， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Co n c r e t e s p e c i me ns ， wi t h the s a me r a tio o f the c o n t a i nme nt c o nc r e t e ，we r e t e s t e d i n s a l t s p r a y t e s t c h a mb e r wh i c h s i mu l a t e d t h e a t mo s p h e ric e n vir o n me n t i n c o a s t a l are a Th e r u l e o f d i f f us i o n o f c h l o rid e i o n i n t o c o n t a i n me n t c o n c r e t e h a d b e e n d i s c u s s e d u nd e r d i f f e r e n t e r o s i o n time a n d i mp r o v e d Fi c ks s e c o n d l a w Us i n g i mp r o v e d mo d e l f o r n u me ric a l a n a l y s i s ，t he r e s u l t s s h o w tha t t h e t h i c k n e s s o f c o v e r s h o u l d b eat l e a s t 5 1 mi nf o rthe40 y e ars s a f e o p e r a tio n o ft h e c o n t a inme n t ； i fp r o l o n gl i f et o 6 0 y e a r s，t hethi c kn e s s n e e dt oi n c r e a s e t o 5 6 i n lT 1 K e y wo r d s： c o a s t a l a tm o s p h e ri c e n v ir o n me nt； c o n t a i n me n t b u i l d i n g； c o n c r e t e ； c h l o ri d e i o n 安全壳是核反应堆 的保护结构 ， 是继核 燃料包壳 、 一 回路压力边界之后的第三道安全屏障， 其功能是当一回路 管道发生破裂、 造成失 水事故 时 ， 将事 故中的裂变产物 限 制和消除在其内部。 Me h t a 教授 曾在 混凝 土耐久性五 十年进展 主 旨报告中指出 ： “ 当今世界混凝土破坏原因， 按重要性递 减顺序排列是 ： 钢筋腐蚀 、 冻害、 物理 化学作用 。 ” 而在 引 起钢筋锈蚀 的因素之中 ， 氯离子侵蚀作用最为显著 。 由于国内大部分核电站处于高温高湿的滨海地区 ， 海 风和雾气中含有的氯离子极易沉积在安全壳混凝土表面 ， 并 向其 内部 渗透 ， 引起钢 筋 的锈 蚀 ， 极 大地 危害 了安全 壳结构的可靠性 能和安全 性能。 因此混凝土 安全壳作 为 核反应堆最后一 道保护 屏 障， 由氯 离子侵 蚀 引起 的安 全 问题。 本试验通过综合盐雾箱模拟滨海地 区大气环境 ， 采用 安全壳 同等级 同配合 比混凝 土试件 ， 经不同侵蚀时 间， 研 究了盐雾环境下氯离子在安全壳混凝土 中的扩散规律 ， 并 对 F i c k s 第二扩散定律进行了修正。 1 试 验 1 1 试验材料及 配合 比 为了尽可能模拟某核电厂安全壳混凝土的真实情况 ， 试验用混凝土的配制强度为 C 5 0 ， 原材料除生产场地不 同 外， 其余规格都相同： 水泥采用珠江粤绣 P I I 4 2 5级水 泥； 粉煤灰为珠 江电厂 I 级粉煤灰 ； 粗 骨料分别采用 粒径 5 1 6 mm和 1 6 - 3 1 5 ra i n的连续级配的小石和大石 ； 细骨 料采用粒径 0 1 6 - 5 m n l 的中砂 ； 外加剂采用江苏博特公 司 生产 的 Y M V I I I 。 试 验采用 1 5 0 1T U T I 1 5 0 1T l l n1 5 0 m m 壳混凝土结构耐久性问题是每个核电厂必须密切关注的 的立方体试件， 水胶比为0 4 1 。 混凝土配合比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 1 2试件 处理 混凝土浇筑后 ， 首先在标准环境 ( 温度 ( 2 0 4 - 3 ) ， 相 对湿度不小于 9 0 ) 下养护 2 8 d ， 然后 从试 件 4个侧面选 收稿日期 ： 2 0 1 4 - 0 9 - 0 6 基 金项 目： 国家高技术研究发展计划( 8 6 3计划) ( 2 0 1 2 A A 0 5 0 9 0 1 ) 6 6 取一个光滑面作为侵蚀 面， 浇筑 面、 底 面及其 他 3个侧 面 均用环氧树脂密封 ， 干燥 1 d后 ， 放入综合盐 雾箱开始试 验 ， 混凝土试块侵蚀表面与垂直方 向应尽可能成 2 0 。 角 ， 见 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中： C ( X ， t ) 暴露时间为 t 时 ， 深度 X处 的氯离子浓 度 ， ； 暴露面与取样层间的距离 ， c m； 卜一 混凝土暴露在氯盐环境 中所持续的时间 ， s ； C 表面氯离子浓度 ， ； 混凝土初始氯离子浓度 ， ； 1 P 矿 一 误差函 数， 表达 式为 I d z 。 J 0 根据所钡 4 氯离子含量 ， 以式 ( 5 ) 为依据用最小二乘法 拟合混凝土扩散系数 D和表面氯离子含量 c 。 ， 拟合结果 见表 2 。 表 2 盐雾试验拟合结果 2 1 表面氯离子含量 c 时变规律 从表 2中可 以看出， 除7 d外 ， 混凝土表面氯离子浓度 C 一开始随着侵蚀时间不断增大 ， 且早期增长速度较快 ， 随后逐渐减慢 ， 并逐步趋于稳定。 学术界普遍采用 指数模 型 ， 即 K a s s i r 理论模型 来拟合 ， 见式( 6 ) ： C ( t )=C ( 1一e ) ( 6 ) 式 中： C ( t ) f 时刻的混凝土表面氯离子浓度 ， ； C 混凝土表面氯离子浓度最大值， ； r 表征累积速率的拟合系数 ， 1 d 。 用式( 6 ) 进行拟合， 拟合结果见图7 。 可得 一为 0 7 5 ， r 为 一 0 0 3 8 ， 拟合优度为 0 8 4 。 时 l司 d 图7 表面氯离子含量时变曲线 2 2 扩散 系数 D时变规律 混凝土 水化是一个 缓慢 的过程 ， 随着水化 的不 断进 行 ， 混凝土的孔结构会得到逐步改善 ， 从而使氯离子 扩散 系数 D逐渐减小 ， 因此认为氯离子扩散 系数 D是具 有时 间依赖性的。 Ma a g e等人 认为氯离 子扩散 系数 D 与时 间 t 符合式( 7 ) ： = ( 式 中： D 暴露时间为 t 的氯离子扩散系数 ； D n 相应于暴露时间 的氯离子扩散系数； 暴露时间； 衰减指数 。 从表 2中可以看 出， 除7 d 外 ， 混凝土氯离子扩散系数 D 随 时间 逐 渐 减小 ， 用 式 ( 7 ) 进 行拟 合 ， 拟 合结 果 见 图 8 。 可得 m为 0 5 6 ， 拟合优度为 0 9 9 6 。 宙 箍 褪 图8 氯离子扩散系数时变曲线 3 安全壳混凝土氯 离子扩散模型修正及参数 选择 3 1 F i c k s 第二定律解析解的修正 混凝土的氯离子扩散 系数随时间不断变小 ， 因此氯离 子扩散模型也应考虑时间因素 。 同时引入环境系数 。 D=K D ( 8 ) 由式 ( 1 ) ( 4 ) 、 ( 7 ) ( 8 ) 得 出修正后 的 F i c k S 第二 扩散定律的解析解为 ： 厂 ， ， 、 c ( ) = c0 + (c,- Co) OO O X m Jl ) 3 2 模型参数选择 据之前的研究 ， 混凝 土表面氯离子浓度 C 的数值是 随着时间推移而逐渐增加的动态变化值 ， 且最终应是可以 与环境介质中的氯离子浓度达到一个平衡 的稳定值 。 参考 D u r a C r e t e 圳 提出的计算模型 ， 结合某 电厂安全壳服役时 间及距海岸线实际距离， 选取表面氯离子浓度 C 的值为 0 3 2 。 本研究通过盐雾加速试验获得 C 为 0 7 5 ， 而实 际海洋大气环境 中， 氯含量达不到 5 ， 该值可 以选做极端 情况进行试算 。 一 般混凝土 中初始氯离 子含量很 低 ， 可 以认 为 C o = 0 ， 模拟时并不考虑混凝土中初始氯离子的含量。 模型 中 D 。 、 和 m可以参考本研究试验结果 ： 氯离子 侵蚀 2 8 d 后的 c l 一 扩散系数为 7 2 6 1 0 c m s ， 衰减指 数 m为 O 5 6 。 对于环境系数 ， 余红发 认为该值主要与环境温湿 度有关 ： K =k T R H = e X p 孽 ( 一 专 ) 】 -1 - 1 9 5一 1 2 0 7 1 +e x pl l ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式 中： k T 温度影响系数 ； k R a 湿度影 响系数 ； q 活化系数， 取值为2 6 8 0 ； 基准温度 ， 取值为2 0 oC； 环境温度 ， 取值为 2 9 o C； 日环境相对湿度 ， 取值为 8 0 。 因此 由式( 1 0 ) 一 ( 1 2 ) ， 结合某 电站 实际环境 ， 可 以得 出 为 0 4 4 8 。 3 3 安全壳混凝土氯离子侵蚀结果数值预测 对所建模型通过计算机数值计算 ， 得到不 同侵蚀时 间 下安全壳混凝土不同深度处的氯离子含量 ， 见 图 9 、 1 0 。 根 据美国 A C I 混凝土结构设计规范 规定在任何环境下 ， 预 应力钢筋混凝土 的临界水溶性氯离子浓度 C l 。 均不超过胶 凝材料重 的0 0 6 ， 即混凝土重 的0 0 1 。 则不 同暴露时间 下 ， 达到 c l 的侵蚀深度 d 。 见表 3 。 安全壳的最小钢筋保护层厚度一般设计值 为 4 5 m m， 从表 3中可以看出， 安全壳在暴露 2 0年后 ， 距离表面4 4 r n r n 处的氯离子含 量 已经 达到 0 0 1 的临界值 。 而要 让安 全 壳安全运行 4 0年 ， 则钢 筋保护层 厚度 至少 为 5 1 m i l l ； 如 果想让安全壳 延 寿至 6 0年 ， 则 钢筋 保 护层 厚度 需 要 增 加 到5 6 m i l l 。 如果 再 增加 8 6 4 m i l l 就 可 以抵抗 极 端 恶 劣环境 ， 可见增加 钢筋保 护层厚 度 可有效抵 抗氯 离子 的 侵蚀 。 表 3不同 时间下 氯离子 侵蚀 深度 O 8 0 7 喜 o 6 0 5 。 一 4 0 3 蔫 0 2 0 1 1 年 C1 6 0 年 睾 4 j 5 0 5 5 柚 6 5 O 1 2 3 4 cm 图9 不同侵蚀时间氯离子含量分布拟合图( C s = O 7 5 ) O 3 5 0_ 30 芒 船O 2 5 鑫o 2 0 0 1 5 撬 。 1 0 O 0 5 0 图 1 0 不同侵蚀时间氯离子含量分布拟合图( = O 3 2 ) 4 结语 ( 1 ) 本研究根据某 电厂实 际的滨海大气 环境 参数 ， 建 立了适当的盐雾试验机制来模 拟滨海大气环境下氯 离子 对安全壳混凝土的侵蚀过程 。 ( 2 ) 研究分析 ， 安全壳混凝 土表面氯离子浓度 c 随时 间先增大后趋于平稳 ， 达到最大值 ， 该值为 0 7 5 。 ( 3 ) 研究分析 ， 安全壳混凝 土氯离子扩散 系数 D 随时 间逐渐减小 ， 其衰减指数 m为 0 5 6 。 ( 4 ) 引入环境系数 ， 并修正了F i c k s 第二扩散定律。 运用修正后模型进行数值分析， 结果显示要让安全壳安 全运行 4 0年 ， 则钢 筋保 护层厚度 至少为 5 1 r l l n l 。 如果想 让安全壳延 寿 至 6 o年 ， 则 钢筋 保 护层 厚 度需 要 增加 到 5 6 mi l l 。 ( 5 ) 增加钢筋保护层厚度可有效抵抗氯离子的侵蚀 。 参考文献 ： 1 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护 M 北京 ： 中国铁道出版 社。 1 9 9 8 E 2 3 J T J 2 7 01 9 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 s 3 3 C O L L E P A R D I M， MA R C I A L I S A， T U R R I Z Z A N I R T h e k i n e t - i c s o f p e n e t r a t i o n o f c h l o ri d e i o n s i n t o t h e c o n c r e t e - J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 0 ( 4 ) ： 1 5 71 6 4 4 - 1 K AS S I R M K， G H O S N M C h l o ri d e i n d u c e d c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ri d g e d e c k s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 3 9 1 4 3 5 3 MA A G E M， H E L L A ND S ， P O U L S E N E， e t a 1 S e r v i c e l i f e p r e d i c tio n o f e x i s t i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e d t o ma r i n e e nv i r o n m e n t J - A C I Ma t e J ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 6 0 2 6 0 8 6 C C E S 0 1 2 0 o 4 ， 混凝土结构耐久性设计与施工指南 S 2 0 0 4 7 G e n e r a l g u i d e l i n e s f o r d u r a b i l i t y d e s i g n a n d r e d e s i g n z D u r a Cr e t e， Fe b， 2 0 0 0 8 余红发， 孙伟 混凝土在多重因素作用下的氯离子扩散方程 J 建筑材料学报， 2 0 0 2 ， 3 ( 5 ) ： 2 4 0 2 4 6 9 B u i l di n g c o d e r e q u i r e m e n t s fo r s t r u c t u r a l c o n c r e t e ( A C I 3 1 8 M 一 1 1 ) and c o m me n t a r y Z A m e ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， U S A， 2 Ol 】 第一作者 ： 汤志杰( 1 9 8 7一) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向 ： 主要从 事核电构筑物混凝土耐久性。 联系地址： 苏州姑苏区西环路 1 7 8 8 号 苏州热工研究院有限公司 ( 2 1 5 o 0 4 ) 联系电话： 1 8 3 0 6 2 0 1 9 8 7 69 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m