既有水工混凝土氯离子扩散系数的时变模型.pdf

第 2期 2 0 l 0年 6月 水利水运工程学报 HYDRO SCI ENCE AND ENGI NEERI NG N0 2 J un 2 01 0 既有水工混凝土氯离子扩散系数的时变模型 张俊 芝 ，王建泽 ，孔德 玉 ，邹传仁 ，黄 海珍 ( 1 浙江工业大学 建筑 程学院 ，浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江省钱塘江管理局 ，浙江 杭州3 1 0 0 1 6 ) 摘要 ：处于自然含氯环境下的水工混凝上， 承受荷载和氯盐侵蚀等多种冈素的作用 根据钱塘江河口地区的两 座 既有水 闸的闸墩混凝土 中氯离子浓度 的检 测结果 ， 分析 了实际水工混凝 土在 自然环境 下的氯离 子侵 蚀规律 ， 得 出使用 3 0 a的水工混凝土 中氯离子最高浓度在距 离表 面约 2 c m处 ； 通过模拟既有水 工混凝土并 测试氯离子 扩散系数 ， 证实 了氯离子扩散系数随时间减小的规律 ； 基于既有水工混凝土的测试 、 模 拟和 F i c k第二定律 ， 建立 了包括时间 、 空 间和温度影响 因素 的既有水工混凝土氯离 子扩散 系数时变模 型 关 键 词 ：既有水工混凝土；氯离子；扩散系数 ； 模拟；时变性 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 6 文 献标 识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 9 6 4 o x ( 2 o o ) o 2 0 0 1 4 0 7 氯离子 向混凝 土 中传输 的机理 十分复 杂 ， 对 混凝 土的 侵蚀 是 扩散 与 毛细 吸收 等 各种 机 理组 合 的综 合 结 果 F i c k第二定律普遍应用于混凝土 中氯离子扩散的研究 ， 但假设材料是均质 的、 氯离子不与材料发生反 应和材 料 的氯 离子 扩散 系数为恒 定 的常数 等 目前 ， 计 算氯 化 物 的渗入 量 时 ， 常采 用 表观 扩散 系数 反 映各 种因素对氯离子扩散的影响， 也反映了混凝土对氯化物侵蚀 的抵抗能力 但实际中扩散系数并非恒定常数 ， 不仅与混凝土组成 、 内部孔结构的数量和特征及水化程度等内部因素有关 ， 同时也受到外部因素和时间的影 响 由于影响因素多 ， 且各因素之问关系复杂， 目前仍没有建立完整的理论体系 基于 F i c k第二定律提出了 多种扩散修正计算公式 ， 但由于试验环境不 同、 参数取值困难或过于复杂等原因， 这些公式很难应用于 实际 工程 自然氯盐 环境 下混凝 土 的氯离子 侵蚀情 况与 室 内试 验 结论 差别 较 大 ， 尤其 是 在距 离 表 面一 定 深度 内的 氯 离子浓 度 ， 用 F i c k第 二定律 计算 的扩 散 系数 的离散 性 很 大 水工 混 凝 土所 处 的 自然 环境 往 往 湿度 大 ， 暴露在室外 ， 并同时受其他因素的作用 完全用室内试验模 拟 自然环境下的氯离子侵蚀过程 ， 其误差较 大 实际工程耐久性评估时 ， 一般进行必要的检测 、 分析及计算 ， 其结论反映了实际工程在 自然环境下的侵蚀 情况 ， 对耐久 性分 析与评 价有 重要 的参考 意义 但是 ， 一次 检测 的结论 只能 代表混 凝土 当前 的侵蚀状 态 ， 而研 究表明， 氯离子扩散系数随时问增加而降低 因此 ， 如何根据 自然环境下有限样本得到的检测资料， 预测 混凝土 中氯 离子扩 散性 能的变化 规律 ， 对 深入研究 氯离 子 在混 凝土 中的扩 散 行 为及 实 际工 程 耐久 性预 测具 有 十分重 要 的意义 本文利 用实 际工程 取得 的混凝 土 中氯 离子 侵蚀 资 料 ， 结 合 室 内模 拟 试验 结 论 ， 分析 了 自 然 环境下 的氯 离子扩 散影 响因素 ， 建立 了既有 水工 混凝 土氯离 子扩 散系 数 的时变模 型 1 既有水工混凝土氯 离子侵蚀特 性 1 1 既有混凝 土 的样本和 氯 离子浓 度的测 试 既有 水工 混凝 土的样本 ， 来 源于 钱塘 江河 口区 海塘 北 岸 2座水 闸 的 闸墩 ， 处 于 自然 环 境 下 已分 别 运行 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 82 4 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9 ) ； 浙江省科技计划资助项 目( 2 0 0 7 C 2 3 0 5 8 ) 作者简介 ： 张俊芝 ( 1 9 6 4一) ， 男 ， 江西金溪人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事结构耐久性评价理论及应用研究 E ma i l ：j z z h a n g z j u t e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 张俊芝 ， 等 ： 既有水工混凝 土氯离子扩散系数 的时变模 型 l 5 3 7 a ( 甲水 闸 ， 处 于河 口上 游 区 ) 和 2 7 a ( 乙水 闸 ， 处 于河 口下游 区 ) 取得 的样 本 芯样 直径 1 O c m， 长 度 为 1 O 2 0 e m不等 ( 成 样 的长度 视 取 样 时情 况 确 定 ， 但 至少 1 0 e m) ； 取 样 位 置 是 ： 甲 水 闸 ( 4孔 ) 从 高 于底 板 5 0 7 0 e m开 始 ， 在 下 、 中和 上 部 ( 间距 5 01 0 0 e m) 各 取 1个 ， 5个 闸 墩 共 1 5个 ； 乙水 闸 ( 5孔 ) 为 底 板 之 上 1 0 0 c m， 于 中墩 取 得 6个 芯样 钱 塘江 河 口地 区不 同区域 的水体 中氯离 子 浓度 相差 较大 ， 环境 的湿度 、 温度 等与杭州市区类似 ， 而潮水涨落每天 2次 ， 上溯至 甲闸附近 从外 侧逐 步 向芯样 内侧 ， 将 混 凝 土芯样 切 割成 1 e m等 厚 的片 状试 块 ， 机械 压碎 后用 球磨 机研 磨成 粉 末 ， 并 通 过 0 6 3 mm筛后 ， 置 于烘 箱 内 2 h ， 取 出冷却 至 室温 待 用 将 一 定量 的试 样 粉 末 ， 分 别 用 去离 子 水 ( 蒸 馏 水 ) 配置 成 1 0 0 m L的溶液 ， 并 剧烈 振 荡 12 rai n ， 每份 溶液 中加 入 2 mL的 I S A( 离 子稳 定剂 ) ， 其 中的粉末 质 量 用 电子 天平 秤得 ( 精 确 到 0 0 0 1 g ) 配置 1 ， 1 0和 1 0 0 m g L的标准 溶液 作 为 酸度计 的标 定溶 液 经 比较 ， 氯 离子 的最长 析 出时 间是 4 8 h J 0 1 ， 故 配置 的溶液 在放 置 4 8 h后 ， 用 T h e r m o 7 2 0 A 酸度 计 测试 溶 液 中的 自由氯 离 子含 量 1 2 混凝 土 中氯离 子侵 蚀及 浓 度分 布 按 上述测 试 方案 ， 对 水 闸 闸墩 混 凝土 芯样 中含氯 量进 行测 试 ， 其 中 ， 甲水 闸取 样 1 5个 ， 乙水 闸取 样 6个 ， 将测 得 的 自由氯 离子 浓 度换 算成 氯 离子 与混 凝 土 的质量 分数 ， 得 出 自由氯 离 子 平 均浓 度 随深 度 变 化见 图 1 图中 的侵 蚀 深度从 混 凝 土外 侧起 算 各 点 的 自由氯 离 子 浓度 的 方 差 ( 分 别 以 甲闸 1 5个 和 乙 闸 6个 数 值 统 计 ) 随深 度增 大 而减小 ， 说 明内部 趋 于稳定 扩 散 啦 、 刚 嗤 枉 芏 冰 、 求 蜓 岳 匣 ( a ) 甲 水 闸 ( b ) 乙 水闸 图 1 闸墩混凝土 中的氯离子浓 度均值随深度变化 Fi g 1 Me a n s o f c hl o r i d e c o n c e nt r a t i o n i n p i e r c o nc r e t e o f s l u i ce s a l o ng d i f f er e nt de p t hs 可 见 ， 由于 河 口区上 游感 潮 水体 的含 氯 浓 度 不 高 ， 甲水 闸 的 闸墩 混凝 土 中 自由氯 离 子 浓 度 与 乙 水 闸 的混凝 土氯 离子 浓度 相差 较 大 ， 但 2个 水 闸 的 闸墩 混 凝 土 中的 自由氯 离 子浓度 均 随深 度增 加 而减小 ； 最 高浓 度并不在混凝土表面， 而在距混凝土表面 2 e m处 ， 随后呈 明显下降趋势 ， 45 e m之后氯离子 的侵蚀则基本 趋于平缓 上述情况也说 明， 位于浪溅 区环境 中的混凝土构件 ， 氯离子在混凝土表层的侵入不是扩散作用 ， 而 主 要是 毛细 管 吸附作 用 另外 ， 甲水 闸 闸墩 中部 的氯 离 子 浓 度 较 高 ， 究 其 原 因是 该 部 位 的 水位 变 动频 繁 ， 受 干湿 交替 等环 境 因素 影 响 2 模拟 既有水 工混凝 土 的氯 离子扩散 系数试验 2 1 既 有混 凝土 的模 拟及 氯 离子 扩 散 系数 的试验 方 法 为模 拟 既有水 工 混凝 土 的氯 离子 侵蚀 性 能 ， 对 上 述混 凝 土芯 样 的配合 比进 行 了推 定 配合 比的推定 基于 分离 粗骨 料 的方 法 ， 先 测 定混 凝 土 中粗骨 料 的用量 ， 即利 用水 泥石 与 骨料 之 间的界 面 过渡 区是 混凝 土等 水泥 基材 料 中薄 弱环 节 的特点 ， 采 用加 热 、 研磨 破 碎等 方 法使 界面 过 渡 区原 有 的及 新产 生 的微裂 纹 扩展 ， 在挤 压 、 摩擦 力作 用 下使粗 骨 料 与砂浆 脱 开 ， 并 通 过筛 分 的方 法将 两者 分 离 再 用 分离 的砂 浆做 盐酸 溶解 和烧 失 量 的 试验 ， 从 而推 定细 骨料 用 量 、 水 泥用 量 及水 含 量 甲、 乙两水 闸的闸墩均 以6个混凝土芯样进行配合 比推定 ， 其推定 的水灰 比平 均值分别为 0 5 9：1和 0 6 1： 1 为测定与新拌和混凝 土配合 比之间的差异 ， 根据推定的两闸墩混凝土组分 ， 设计 2个新拌混凝土配 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 0年 6月 合 比组分 分别 是 ： 甲闸 ， 砂 率 3 1 5 ， 水泥 ： 粗 骨料 ： 细 骨料 ： 水 =1 0 0： 4 0 0： I 8 8： 0 5 9 ； 乙 闸 ， 砂 率 2 9 5 ， 水 泥 ： 粗骨料 ： 细 骨料 ： 水 =1 0 0： 4 1 5： 1 9 5： 0 6 1 其 中 ， 试验 用 水泥 为 潮 州 3 2 5 # 水 泥 ， 粗 骨料最大粒径为 4 0 lT l m， 砂子为当地中砂 ， 其细度模数为 2 7 根据上述推定方法， 推定新拌混凝土的水灰比 平均值( 6组) 分别为 0 6 6：1 和 0 6 9： 1 ， 相对误差分别为 1 1 9 和 1 3 1 ； 粗骨料与细骨料的比例( 质量 比 ) 有一 定误 差 考 虑到 本文 工程 的建造 时 间很 早 ， 执 行 的标 准应 是 较早 的 水 工 钢筋 混凝 土结 构设 计 规范 ( 试行 ) ( S D J 2 0 7 8 ) ， 没有掺 加减水 剂等 外加剂 ， 而且 运行 时 间较 长 ， 故利 用上述 推定 方法对 既有混 凝 土配 合比推定具有一定 的可信度 因此 ， 以上述两组分的混凝土分别模拟 甲、 乙两水闸闸墩混凝土进行氯离子侵 蚀试 验 在室内浇注上述两组分的混凝土试件各 3个 ， 尺寸为 1 0 c m X 1 0 c m X 1 0 c m， 静水养护 2 8 d后进行强度 试验 ， 以分析 氯离 子扩散 系数 与强度 的关 系 ； 另各 浇注 6个直 径为 1 0 0 m m、 厚 6 0 mm 的圆盘 型混 凝土 试 件 ， 静水养 护 2 8 d后 用交 流 电桥 法做抗 氯离 子渗 透快速 试验 交流 电 阻试 验 原理是 通过 测量 混凝 土试 件 的 电导 评 定混 凝土抵 抗氯 离子渗 透 的性能 ， 强度试 验与抗 氯离 子渗 透快速 试验 按照 规范进 行 2 2模 拟的 混凝土扩 散 系数试 验结论 用交 流 电桥 法测试 上述模 拟 配合 比 昆 凝 土的 2 8 d龄期试 件 的氯离 子扩散 系数 ， 并 取 6块试 件 的平 均值 作为每一配合比混凝土的试验结果 经试验 ： 甲闸( 水灰 比 0 5 9： 1 ) l6组试件 的氯离子扩散系数分别为 6 2 1 2 ， 6 4 7 0 ， 7 3 1 9 ， 6 9 1 0 ， 5 7 8 4和 5 7 1 1(X 1 0 I n s ) ， 平 均 值 为 6 4 0 1 X 1 0 m s ； 乙 闸 ( 水 灰 比 0 6 1： 1 ) 1 6组分别 为 7 3 1 6 ， 7 5 8 1 ， 5 5 6 9， 6 4 9 2 ， 6 1 8 1和 6 9 9 4(X 1 0 m s ) ， 平均值为 6 6 8 9 1 0 一 m s 因为氯 离子扩 散系数 与 电导率成 正 比 ， 而 电导率 与水灰 比成 正 比 ， 上述 两组数 据也 说 明氯离子 扩散 系数 与水灰 比成正比 强度测试结论是 ： 模拟 的甲水闸混凝土为 2 1 1 5 MP a ， 乙水闸混凝土为 2 1 7 8 M P a ； 与现场 芯 样混凝 土强度 测试 的平 均值 相 比 ， 模 拟 的混凝 土强度 偏低 3 既有水工混凝土 的氯离子扩散 时变模 型 3 1 混凝 土 中氯离子 扩散模 型及 影响 因素 氯离子 的扩散 系数 最初 被认 为是一 常数 ， 直到 2 0世纪 9 0年 代初 ， 人们 才逐渐 认识 到扩 散系数 不仅 与混 凝土 的组成 、 内部孔 结构 的数 量和特 征及水 化程 度等 内部 因素有 关 ， 同时也 受 到外 部 因素 的影 响 影 响扩 散 系数 的随机 性因素 主要 包括 时问 、 温 度 、 养 护龄期 、 掺合 料 的种类 和数 量等 水灰 比是衡量氯离子侵入的最直接因素 国内外大量的现场实测和试验结果表明， 较高的水灰 比是导致 氯 离子过 早侵入 混凝 土并造 成钢 筋锈蚀 的主要原 因之一 一般 地 ， 水灰 比越 大 ， 扩 散系数 越大 温度对 于混凝 土的耐久 性有 双重作 用 ： 一 方 面 ， 温度 升高使 水分 蒸发 过快 ， 造 成表 面 的孔 隙率增 大 ， 渗 透性增 大 ； 另 一方 面 ， 温度 升高 可 以使 内部 混凝 土 的水 化速度 加快 ， 混凝 土 的密实性 增加 ， 从而 降低 渗透 性 当温度 升高时 ， 对既有 或硬化混凝土而言， 其水化已经充分 ， 第一种作用占主导地位 ， 即混凝土的孔隙率将增大 ， 氯离子扩散系数则 相应 增大 文献 7 利用 N e r n s t E i n s t e i n方程， 研究了氯离子扩散系数随温度变化的规律 ， 得到考虑温度影响的扩 散系数公 式 为 ： D = D ( ) e x p 【 g ( ； _ 一 击 ) J ( 1 ) 式 中： D ， 为测 量 时绝对 温 度 对 应 的扩 散 系数 ； D 为所 求 绝对 温 度 对应 的扩散 系数 ； q为 常数 ， 由水灰 比确定 ， 水灰比为 0 4 ， 0 5和0 6时分别为 6 0 0 0 ， 5 4 5 0和 3 8 5 0 由此可见 ， 温度对扩散系数的影响较大 ， 温度从 2 0 C增加到 3 0 ， 扩散系数可以增大 1 倍 在此只考虑了平均温度的影响 ， 实际上的氯离子扩散系数 随温度变化不仅与环境平均温度有关 ， 而且与昼夜和季节变化引起的温度变化频率 、 幅值等瞬时温度因素有 很大 关系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 张俊芝 ，等 ： 既有水 工混凝土氯离子扩 散系数的时变模型 1 7 大量 研究 表 明 ， 混凝 土 中氯离 子扩 散 系数 随 时 间增加 而 降低 文献 8 认 为 氯 离 子扩 散 系数 的时 间依 赖 性归 结为 混 凝土 孑 L 结 构 的时 问依 赖性 ， 将 氯离 子 扩散 系数 随 时间 增加 而降 低 的现象 用幂 函数 表 征 ， 得 到寿 命 为 t 时混 凝 土 的氯离 子扩 散 系数 为 ： 1 t、 。 D( t )：D 。 f l ( 2 ) t 式 中 ： a为 扩散 系数 的时 问 依赖 性 常数 ， 与胶 凝材 料 的种 类 和环境 条 件 有关 ， 但 与水胶 比无 关 ； t 为 混凝 土 养 护龄期 ； D 为 参考 期 ( 一般 为 2 8 d ) 扩散 系 数 综 上所 述 ， 对 氯离 子扩 散 系数 的准 确评 价应 同时考 虑 时 间 、 温度 、 水 灰 比 、 掺 合料 和施 工 养 护 等 因 素 在 现有研 究 水平 的基 础上 ， 应 以其 中几种 因素为 主来 确定 扩 散系 数 在 考 虑氯 离子 扩散 系数 与 时间 、 空 间 、 温 度 和深度 的依 赖性 基 础上 ， 可 建立 如 下 的扩散 系数 时 变模 型 ： D ( ， )：， J ( ) g ( f ) e x P l q ( 鲁 一 1 ) I ( 3 ) L 、 0 J 式 中： D 。 为参考期扩散系数 ； ， ( ) 为扩散系数对渗透深度依赖性函数 ， 可 由所测数据拟合得 到； g ( t ) 为扩散 系数对暴露时间依赖性函数 ， 由所测数据拟合得到 ； q为常数 ， 由水灰 比确定 ； 为测试时的绝对温度 ； 为测试 参考 期扩 散 系数 时 的绝对 温 度 3 2 基 于 实测 自由氯离 子浓 度 的扩 散 系数 饱和溶液中氯离子的扩散过程被视为稳定 ， 当混凝土处于水饱和状态时 ， 氯离子主要通过离子的扩散作 用侵 入混 凝 土 ， 扩 散过 程满 足 F i c k第 二 定律 设 扩散 系 数为 D 氯离 子扩 散是 从表 面 向半无 限空 间进 行 ， 其 边界 条件 为 C ( 0 ， t ) = C ， C ( ， 0 ) = C 。， 则 随距 离混 凝 土表 面 的深度 ( m) 和扩 散 ( 暴 露 ) 时 间 t ( S ) 变化 的 扩散 系数 为 ： c ( ， ) = C o + ( C c 。 l l e 【 J j ( 4 ) 式 中 ： C 为 混凝 土 内初 始氯 离子 浓 度 ( ) ； C 为混 凝 土 暴 露 表 面 的氯 离 子 浓 度 ( ) ， 等 于 暴 露 环境 介 质 的 氯离子 浓 度 ； e r f ( ) 为误 差 函数 ； D ： 为 F i c k第二 定律 的扩散 系数 ( m。 s ) 目前 的研究 结 论表 明 ， 混凝 土 内部 的 扩散符 合 F i c k第 二 定 律 以上 述两水 闸的既 有 闸墩 各 混凝 土 芯 样为对象 ， 以稳定扩散起点 ( 即最高氯离子浓度处) 浓度为暴露环境介质的氯离子浓度 C ， 并取 1 0 c m之前 的最小氯离子浓度为混凝 土中的氯离子初始浓度 c 甲、 乙两水 闸的闸墩混凝 土的计算扩散系数时间分别 为 3 7和 2 7 a 因为在不 同深度处 ， 式 ( 4 ) 中除 D 外均 已知， 故可用( 4 ) 式计算各混凝土芯样不同深度的氯离 子 扩散 系数 ， 取 计算 平均 值 结果 表 明 ， 计 算 得 到 的扩散 系数 随侵 蚀 深度 的加 深 而增大 ， 用 乘幂 次 能很好 地拟 合 ， 其 相关 系数 均 大于 0 9 9 其 中 ， 甲水 闸闸墩 混凝 土 的氯 离子 扩散 系 数与 侵蚀 深度 的关 系 为 ： D ( ) =0 8 4 7 2 x “ ( 5 ) 乙水 闸 闸墩 混凝 土 氯离 子 扩散 系数 与侵 蚀 深度 的关 系 为 ： D， ( ) =0 8 7 4 l x ( 6 ) 式中 ： 为距离表面的深度( m) ， D( ) 为 F i e k第二定律的扩散系数( 1 0 m s ) 公 式 ( 3 ) 中的 厂 ( ) ， 对 于 甲水 闸的 闸墩 混 凝 土有 ( )=b 。 ”， 对 于 乙水 闸 的闸 墩混 凝 土 有 厂 2 ( )= b 2 ， 其 中 的 b 和 b 是 扩 散系 数对 渗 透深 度 的依赖 常 数 多数 研究 得 出 的混凝 土 氯离 子 扩散 系数 比上 述计 算 的扩散 系 数 大 1个 数 量 级 考 虑 到本 试 验 所 用 的试 样是 分别 使用 了 3 7和 2 7 a 的 既有 混凝 土 ， 而 氯离 子扩 散 系数 是随 时 间减小 的 ， 故上 述结 论是 可 信 的 3 3 结 合模 拟试 验 与实 测值 的既 有水 工 混凝 土 氯离 子扩 散 系数 的 时变模 型 由于根据 既有 混 凝土 中实际 浓度 计算 得 到 的氯离 子 扩 散 系数 已经考 虑 了时 问 因素 的影 响 ， 为此 需 对 比 试验 研究 的 2 8 d混凝 土 试件 的扩散 系数 ， 则 可得 到 既有 混凝 土 氯离 子扩 散 系数 的时 变模 型 按上 述模 拟试 验结 论 ， 模 拟 甲水 闸 闸墩 的混凝 土试 件 2 8 d的平均 氯 离子 扩散 系 数 为 6 4 0 1 1 0 m s ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 0年 6月 而已运行 3 7 a的甲水闸闸墩既有混凝土的氯离子扩散系数 的均值为 1 5 4 41 0 IT I s ( 以 6 c m前均值计 算 ) ， 则 由式 ( 2 ) 可得 ， 扩散 系数 的时间依赖 性 常数为 0 6 0 2 8 ， 所 以式 ( 2 ) 变 为 ： D ( t ) ：Do 。 t ( 7) 同样 ， 根据模 拟 乙水 闸闸墩混凝 土 的试 件 2 8 d的平 均 氯离 子扩 散 系 数为 6 6 8 91 0 m s ， 而 已运行 2 7 a的乙水 闸的既有闸墩混凝土的氯离子扩散 系数的均值为 2 4 7 71 0 I n s ( 以 6 c m前均值计算 ) ， 可 类似地得到乙水闸混凝土的氯离子扩散系数的时间依赖性常数为 0 5 6 2 1 ， 则对乙闸而言， 式 ( 2 ) 可表示为 ： ， 、0 562 1 D ( t )=D 。 f I ( 8 ) 式 ( 7 ) 和 ( 8 ) 表示 的是两水 闸 既有混凝 土扩 散 系数 与扩 散 ( 暴露 ) 时间 的关 系 ； 而式 ( 5 ) 和 ( 6 ) 表示 的是 两 水 闸的闸墩混 凝土 氯离子 扩散 系数 与侵蚀 深度 的关系 根据 上述试 验 中推定 的两水 闸的 闸墩混凝 土 的配合 比及 文 献 7 的式 ( 3 ) 和 参数 q ， 并考 虑 到模拟 试 验 测试 时 的绝 对温度 为 2 9 3 K， 则 甲水 闸闸墩混凝 土 的时变 氯离子 扩散 系数计 算公 式为 ： D I ( ) 4 0602 8 唧 4 0 1 0t ( 一 专 ) ( 9 ) L Z j ， J 结 合式 ( 5 ) ， 如 以取样 时 已运 行 3 7 a ( 即 t = 3 7 3 6 5 d ) 且服 役期平 均温 度为 2 9 3 K计 算 ， 则 有 ： ， 4 。 1 6 I 【)17 ( ) 0602 8 e x p 4 ( 一 击) = 0 8 4 7 2 x O373 4 计算 得到扩 散 系数 对渗 透深度 依赖 常数 b =5 4 8 7 1 ， 则式 ( 9 ) 为 ： D j ( ) _ 2 6 1 _ 7 8 0 7 x o37 3 4 t - 0602 8 e X p 4 O 1 o ( 一 ( 1 o ) 式中： D ( ， t ) 为考虑时间等影响因素的甲水闸的闸墩混凝土氯离子扩散系数( 1 0 m s ) ； 为距离混凝土 表面 的距离 ( m) ； t 为扩 散 ( 暴 露 ) 时问 ( d ) ； T为测试 时 的绝对 温度 ( K) 类 似地 ， 可得 b ： = 3 5 2 8 9 ， 乙水 闸的 闸墩 混凝 土 的时变氯 离子 扩散 系数计 算式 为 ： D 2 ) _ l 5 3 6 2 0 1 X 0272 3 t -0562 1 e X p 3 6 9 0 ( 一 ) 式中： ( ， t ) 为考虑时问等影响因素的乙水 闸的闸墩混凝土氯离子扩散系数 ( 1 0 m s ) ； 其它符号同式 ( 1 0) 式 ( 1 0 ) 和( 1 1 ) 分别 为 甲 、 乙两 水 闸的 闸墩 混凝 土 ， 在 自然环 境 下 考虑 时 空 因素 和 温度 影 响 的氯离 子 扩 散系数的计算式 ， 反映了不同深度 、 不 同温度环境下混凝土中氯离子的扩散特性 图 3 ( a ) 为当前时刻 ( 已使 用 3 7 a ) 甲闸墩混凝 土氯 离子扩 散 系数随温 度与 深度 的变化 趋势 ； 图 3 ( b ) 为测试 温度 2 9 3 K时 ， 乙闸墩混凝 土氯离子 扩散 系数 随时 问与深度 的变化 趋势 ( 并与 甲 闸当前 时刻扩散 系数 对 比 ) 昌 0 6 0 籁 衽 1 2 3 4 5 6 深度 c m l 2 3 4 5 深度 x c m ( a ) 甲 闸 墩 ( b ) 乙 闸 墩 图 3 混凝土氯离子扩散 系数 随深度变化 Fi g 3 Di f f u s i o n c o e ffi c i e n t s i n pi e r c o n c r e t e o f s l u i c e a l o ng d e p t h s 甲 1 5 4 3 L 一 1莹 一 、 箍 m m o 5 4 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 张俊芝 ，等 ：既有水 工混凝土氯离 子扩散系数的时变模型 1 9 从 上述 分析 中可知 ， 温度 相 差 1 0 时 ， 相 同暴 露 时 间 及相 同深 度 处 的 氯 离子 扩 散 系 数相 差 6 0 左 右 ， 温 度越 高 ， 扩散 系数 越大 ； 而 由于侵蚀 环 境和 暴露 时 间不 同 ， 相 同深度 与 温 度 时 ， 尽 管混 凝 土 的 水灰 比近 似 ， 但 当前 时刻 乙水 闸 ( 处 于钱塘 江河 口地 区下游 ， 环 境水 体 含盐 浓度 高 ) 的闸 墩混 凝 土 中氯 离 子扩 散 系数 大 于 甲水 闸 另外 ， 按 照上 述 时变公 式 ， 如 果 乙水 闸运行 到 3 7 4 2 a ， 其 闸墩 混 凝 土 中氯 离 子 的扩 散 系 数 要低 于 当前 时刻 ， 但此时仍比甲水 闸的相 同深度处 的扩散系数高 这既反映了水灰 比( 甲水 闸的水灰 比小 ) 的影 响， 也反 映 了环境 对扩 散 系数 的影 响 ( 乙水 闸 的环境 水 体氯 盐 浓度 高 ) 由于交流 电桥法测试存在 的固有误差 ， 测得 的模拟混凝土的氯离子扩散系数 与其它方法存在一定的差 异 在进一步研究中 ， 将采用 自然浸泡扩散法等较精确的方法测量试验混凝土氯离子 的扩散系数 ， 以揭示既 有混凝 土 氯离 子扩 散性 能 与 时间及 空 间之 间 的关 系 4 结 语 本 文 根据 钱 塘 江 河 口地 区含 氯 环 境 下 的 既 有水 工 混 凝 土 中氯 离 子 侵 蚀 深 度 及 浓 度 ， 并 结 合 模 拟 试 验 得 出 ： ( 1 ) 处 于 自然 环境 下使 用 3 0 a左 右 的水 工 混凝 土 中氯离 子 浓 度 ， 在 距 离 表 面 约 2 e m 处 最 高 ， 之后 有 较 明显 的 下降趋 势 ， 4 5 c m后 氯 离子 侵蚀 则基 本 趋于 平缓 ( 2 ) 模 拟 的既 有水 工混 凝 土 ， 在龄 期较 短 时测 试 的氯离 子 扩散 系 数 比既 有 水工 混 凝 土大 ， 证 实 了氯离 子 扩散 系数 是 随时 间减 小 的一般 结论 ( 3 ) 结 合 既有水 工 混凝 土 的测 试与 模 拟结论 ， 提 出 了建 立包 括 时 间 、 空 间和 温 度影 响 因素 的扩 散 系数 时 变模型方法 ， 并给 出了背景工程基于 F i c k第二定律的扩散系数时变模型 ( 4 ) 在 已有 研究 成 果 的基 础上 ， 结合 实 测混 凝 土 中氯离 子浓 度 建立 的扩 散 系数 时 变理 论 模 型 ， 还有 待 更 多相 似环 境下 的 实际工 程 和试 验模 拟 的进 一步 验证 参 考 文 献 ： 1 L I ANG Mi n g t e ，L I N L i h s i e n，L I ANG C h i h h s i n S e r v i c e l i f e p r e d i c 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 b r i d g e 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 A S C E， J o u r n a l o f I n fr a s t r u c t u r e S y s t e ms ， 2 0 0 2 ， 8 ( 3 ) ： 7 68 5 2 金伟 良， 赵羽 习 混 凝土结构耐久性 M 北 京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 0 2 ( J I N We i l i a n g ， Z H A O Y u x i D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2 ( i n C h i n e s e ) ) 3 余 红发 ， 孙伟 ， 麻海燕 ， 等混凝土在多重 因素作 用下的氯离子扩散方 程 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 2 ， 5 ( 3 ) ： 2 4 0 2 4 7 ( YU Ho n g f a ，S U N We i ，MA Ha i y a n，e t a 1 Di f f u s i o n e q u a t i o n s o f c h l o r i d e i o n i n c o n c r e t e u n d e r t h e c o mb i n e d a c t i o n o f d u r a b i l i t y f a c t o r s J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 2 ， 5 ( 3 ) ： 2 4 0 2 4 7 ( i n C h i n e s e ) ) 4 孟 宪强 ， 王显利 ， 王凯英 海洋环境混凝 土 中氯离子浓度 预测的多系数 扩散方程 J 武 汉大学 ： ( 工 学版 ) ， 2 0 0 7 ， 4 0( 3)：5 7 6 O，9 2 ( MENG Xi a n q i a n g，WANG Xi a n l i ，WANG K a i y i n g A mu l t i 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 f o r p r e d i c t i n g c h l o r i d e i o n s c o n c e n t r a t i o n o f c o n c r e t e i n ma r i n e e n v i r o n m e n t J E n g i n e e r i n g J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ， 4 0( 3)： 5 76 O，9 2 ( i n C h i n e s e ) ) 5 范宏 ， 赵铁 军 ， 徐红波 码头混凝 土中的氯离子 侵人研 究 J ，水运 工程 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 4 9 5 3 ( F A N H o n g ， Z HA O T i e j u n，XU Ho n g b o Ch l o r i d e i n g r e s s i n c o n c r e t e o f p o r t s t r u c t u r e s J P o r t& Wa t e r wa y En g i n e e r i n g ，2 0 0 6( 4)： 4 95 3 ( i n C h i n e s e ) 6 李颖 ，田双珠 ， 朱崇诚港 口水工 建筑 物 中氯离子 分布 规律 的研究 J 水 道港 V I ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 增 刊 ) ：1 0 31 0 7 ( 1 J l Y i n g T 1 A N S h u a n g z h u Z H U C h o n g c h e n g S t u d y o n d i s t r i b u t i o n l a w o f c h l o r i d e i o n s i n h y d r a u l i c s t r u c t u r e s J J o u r n a l o f Wa t e r wa y a n d Ha r b o r ， 2 0 0 4，2 5( S u p p 1 )：1 0 31 0 7，( i n Ch i n e s e ) 7 A ME Y S L ，J O H N S O N D A，MI L T E N B E R G E R M A，e t a 1 P r e d i c t i n g t h e s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e m a r i n e s t r u c t u r e s ：a n e n v i r o n m e n t a l m e t h o d o l o g y J A C I ， S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 2 ) ： 2 0 5 2 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 0年 6月 MA N G A T P S ，M O L L O Y B T P r e d i c t i o n o f l o n g t e r m c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u e t u r e ，1 9 9 4 ， 2 7 ( 6) ：3 3 83 4 6 王建 泽既有混凝土 的氯 离子 侵蚀及 模拟 试验 研究 D 杭 州 ：浙江 工业大 学 ， 2 0 0 8 ( WA N G J i a n z e C h l 0 r i d e i o n e r o s i o n a n d s i m u l a t e d t e s t s t u d y o f e x i s t i n g c o n c r e t e D H a n g z h o u ： Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ( i n C h i n e s e