模型再生混凝土氯离子非线性扩散细观仿真.pdf

第 1 6卷第 5 期 2 O 1 3年 1 O月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI L D1 NG MATE RI AL S Vo L 16， No 5 0c t ， 2 O1 3 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 8 6 3 0 6 模型再 生混凝土氯离子非线性扩散细观仿真 应敬伟 。 ， 肖建庄 。 ( 1 同济 大学 建 筑工 程 系 ，上海 2 0 0 0 9 2 ；2 同济大 学 先进 土木 工程 材料 教育 部重 点 实验 室 ， 上 海 2 0 1 8 0 4 ； 3 广西 大学 土木建 筑 工程学 院 ， 广 西 南 宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘 要 ：考 虑再 生混 凝 土 C l 一结合 的非 线性 ， 对 再 生混凝 土 的 二 维 C 1 一扩散 性 进 行仿 真 模 拟 分析 ， 研 究 了再 生混 凝 土 的 C l 一扩散 特性 通过 变化 再 生粗 骨料 取 代 率 、 老界 面 C l 一扩散 系数 、 浸 泡 时 间和 老砂 浆厚 度 等相 关参 数 ， 对再 生混 凝土 的 C l 一 单 向扩 散 性 能进 行 了对 比分 析 结果 表 明 ： 再 生混 凝 土 内部 C l 一浓度 ( 质量 浓度 ， 下 同) 非均 匀分 布 ， C 1 一非线性 结 合对 其扩散 影 响显 著 ， 再 生 混凝 土 C 1 浓度沿着扩散深度呈波浪式下降， 再生粗骨料取代 率、 浸泡时间和老砂浆厚度等 因素的变化对 c l 一 浓度的影响随着扩散深度的增加而逐渐 变大， 且在界面过渡区的影响较为明显 关键 词 ：模 型再 生 混凝 土 ；细观 ；C1 一扩散 ；非线 性结合 中 图分类 号 ： TU5 2 8 0 1 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 5 0 2 2 M e s o - l e v e l Si m ul a t i o n o f Chl o r i d e No nl i ne a r Di f f u s i o n i n M o de l e d Re c y c l e d Ag g r e g a t e Co nc r e t e YI NG Y i n g we i XI AO Ji a n z h u a n g ( 1 De p a r t me n t o f Bu i l d i n g En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a ：2 Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a 3 Sc h oo l of Ci v i l Eng i n e e r i ng a nd Ar c hi t e c t u r e，Gu a ngx i Uni ve r s i t y，Nan ni ng 53 00 0 4，Chi na ) Ab s t r a c t ：Co ns i de r i n g t h e no n l i ne a r c h ar a c t e r i s t i c o f c hl or i de b i nd i ng，t he d i f f us i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c hl o r i d e d i f f u s i o n i n mo d e l e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ( RAC)wa s n u me r i c a l l y s i mu l a t e d Th e e f f e c t o f r e l e va n t p a r a m e t e r s( i e ，t h e r e p l a c e m e n t r a t i o of r e c y c l e d c o a r s e a g gr e g a t e s ，ol d i n t e r f a c i a l t r a ns i t i on z on e ( I TZ)di f f u s i v i t y，i m me r s i on t i m e a nd t he t hi c kne s s o f ol d a d he r e d m o r t a r )o n t h e d i f f us i o n pr o pe r t i e s o f m o de l e d RA C wa s i nv e s t i g a t e d The r e s ul t s of pa r a me t e r s t ud y i nd i e a t e t ha t t he d i s t r i but i o n of c hl o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i s n o n u n i f o r m i n t h e mo d e l e d RAC；t h e e f f e c t o f n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f c h l o r i d e bi nd i n g on c hl or i d e d i f f u s i on i s s i gn i f i c a n t ，a nd t he c hl o r i de i o n c o nc e n t r a t i o n i n RAC de c l i ne s wa vi l y a l on g t he d i f f u s i on de pt h Fur t h e r m o r e， t he i nf l u e nc e s o f r e c y c l e d c oa r s e a gg r e g a t e， i m me r s i o n t i m e a nd t he t hi c kne s s o f ol d a dhe r e d mor t a r on t he v a r i a t i on o f c h l or i d e i o n c o nc e nt r a t i o n be c o me pr o no un c e d wi t h t he i nc r e a s i ng d e p t h，a nd t hi s i 8 m o r e r e m a r k a bl e a t t he I TZ Ke y wo r ds ：mod e l e d r e c y c l e d a gg r e g a t e c o nc r e t e；m e s o l e ve l ；c h l or i d e di f f us i o n；no n l i ne a r bi n di ng 与普 通 混凝 土 ( NAC) 相 比 ， 由于再 生 骨 料 表 面 附着 老砂 浆 ， 再 生 混 凝 土 ( RAC ) 的孔 隙 率 比 NAC 高 ， 微 观 结 构 不 同于 NAC 近 年来 ， R AC 在 道路 方 面得 到 一些应 用 ， 但 较少 用在 结构 构件 中 ， 主要 原 因在 于再 生混 凝 土耐 久 性 问 题 没有 得 到 深 入 研 究 在沿 海 环境 和 除 冰 盐 环 境 下 ， C 1 引 起 的 钢 筋 锈 蚀 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 2 7 ；修 订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 3 2 9 基金项 目： 国家 自然科 学基金资助项 目( 5 1 1 7 8 3 4 0 ) ； 上海市科 委项 目( 1 0 2 3 1 2 0 2 0 0 0 ) 第一 作者 ： 应敬伟( 1 9 8 3 - ) ， 男 ， 河南 漯河人 ， 广西大学讲 师， 博士 E ma i l ： y i n g j i n g we i 1 2 6 c o rn 通信作 者 ： 肖建 庄( 1 9 6 8 - ) ， 男 ， 山东 沂南人 ， 同济大学 教授， 博士生导师 ， 博 士 E ma i l ： j z x t o n g j i e d u c r l 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 6 建筑材料学报 第 1 6卷 图 4孑 L 溶液中 自由 C l 一浓度沿扩散深 度分 布 Fi g 4 Fr e e c hl o r i d e i o n c on c e nt r a t i on d i s t r i bu t i o n i n po r e s ol ut i o n 图 5 混凝土 中总 C 1浓度沿扩散深度 的分布 Fi g 5 To t a l c hl or i de i o n c o nc e nt r at i o n di s t r i but i o n C l结合 阻碍 了 自由 C l 进一 步 向深处扩 散 ； 在 大 于 4 0 mm 深 度 时 ， 受 非 线 性结 合 影 响 的 自由 C l 一浓 度 比受线性结合影 响的 自由 c l 一 浓度下降速度更快 ， 说 明非线 性结 合作 用对 C l 的阻 碍在 较深 部 位更 加 明显 图 5显示 了混 凝 土 中总 C l 一 浓 度 沿 着 扩 散 深 度 的分 布情况 ， 从 图 5可 知 ： 3种 总 C l 一浓 度均 随着 扩散深度增 加而 呈波 浪式下 降 ， 在天然 骨料 处总 c l 一 浓度下降更快 ， 考虑结合的总 c 1浓度下降速度 明显高 于无 结 合 的 总 C l 一 浓 度 ， 说 明 C l 的结 合 阻 碍 了 总 C l 浓 度 向 深 度 的 扩 散 ， 这 与 Ma r t i n P e r e z - _ 的研究 结果 一致 4 二维 Cr扩散性能变参数分 析 选 取再 生 粗 骨 料 取 代 率 ( R ) 、 老 界 面 扩 散 系 数 ( D。 i ) 、 再 生混凝 土 浸 泡 时 间 ( Ag e ) 和 老 砂 浆厚 度 ( T 。 ) 为模 拟对 比参 数 ， c 取 0 2之 间均 分 的 2 1 个 点 采用 2 个参数衡量再生混 凝土模 型中的 C 1扩 散 能力 ， 即 自由 C l浓 度和 总 C 1 一 浓 度沿 着直线 y 一 5 0 mm( 即一 半 高度处 穿 过模 型 中心 的水平 线 ) 随深 度 的分 布 选 取 约 1 0 a即 3 1 5 3 6 0 0 0 0 S 时 的 C l浓 度 分布 为参 照 ， 进 行 不 同 参数 影 响 下 C r 浓度 分布 的 比较 ， 相关 物 理参数 如表 2所示 表 2 数值分析 的相关物理参数 Ta b l e 2 Re l a t e d p h y s i c a l p a r a me t e r s i n nu me r i c a l s i mu l a t i o n RC一 2 1 R( 2 2 1 0 0 RC一 2 3 RC一 3 1 1 RC一 3 2 1 O O 3 6 O 4 0 5 RC 一 3 3 7 RC一 4 1 RC 4 2 1 O O 3 6 0 1 0 RC 一 4 3 4 1 再生 粗骨料 取代 率对 C r 扩散 的影 响 再 生粗 骨料 由天然 粗骨 料和老 硬化水 泥砂 浆 组 成 ， 以再生 粗骨 料体 积 占总 粗 骨料 体 积 的百 分 比来 定义 R 对 于 R 为 5 5 6 的再生 混凝 土 ， 选 取模 型 的 四个 角和 中 间骨 料 作 为再 生 粗 骨料 ， 其 余 4个 骨料 为天然 粗 骨料 选 取 不 同 R 对 自 由 C l 浓 度 和 总 C l浓 度分 布 的影 响进 行分析 ， 如 图 6 所 示 图 6 不 同再生粗骨料取代率下混凝土中 C 1浓度沿扩散深 度的分布 Fi g6 Ch l o r i de i on c on c e nt r a t i on d i s t r i bu t i o n a t di f f e r e nt RR A 由图 6可 以看 出 ： 自由 C l 浓 度 随着 扩 散 深 度 的增加 而呈 波浪式 下 降 ， 随 着 R 的增 加 而变 大 ， 在 2 0 4 0 mm 深 度 范 围 内， R 的影 响 比较 明显 ， 例 如 在边 界处 C l 一 浓度 均为 2 k g m。 ， 扩 散深 度约 8 O mi l l 处 C l浓度 接 近 于 0 ， 而在 扩 散 深 度 3 5 mm 处 R 为 5 5 6 和 1 0 0 的再 生混凝 土 自由 C l 一 浓 度分 别 比普 通混凝 土 大 0 0 9 ， 0 2 9 k g m。 ； 对 于 总 C l 浓 度 ， 不 同 R 下 C l 一 浓 度 随 着 扩 散 深 度 的增 加 差 异 更 大 ， 例 如 在扩 散 深 度 3 5 ml T l 处 ， 尺 为 5 5 6 和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 应敬伟 ， 等 ： 模 型再 生混 凝土氯离子非线性扩散细观仿真 8 6 7 1 0 0 的再 生 混 凝 土 总 C l 浓 度 分 别 比普 通 混凝 土 大 0 2 3 ， 0 6 1 k g m。 ； 总 C 1浓 度 大大 高于 自由 C l 浓度 ， 并 随着 扩散 深度增 加 而下 降较 快 4 2老 界面 Cr扩 散 系数对 Cr 扩散 的影 响 D。 变 化对 自由 C l 一 和总 C l 一 浓 度分 布 的影 响如 图 7所示 图 7不 I司老 界 面 Cr _扩 散 系 数 F混 凝 土 中 Cr 浓 度 沿扩散深度 的分 布 Fi g 7 Chl or i d e i o n c onc e nt r at i o n di s t r i bu t i on wi t h di f f e r e n t c hl or i d e di f f us i vi t y of o l d I TZ 由 图 7可 见 ： C l 浓 度 随 着 扩 散 深 度 的增 加 而 呈波浪式下降 ， 总 c l 一 浓度 大于 自由 c l浓 度且变 化 比 自由 C l浓 度 显 著 ， 两 者 的 差距 随着 扩 散 深 度 的增 加 而变 小 ， 在 约 6 0 mm 深 处 总 C l 浓 度 受 D 。 的影 响 比较 显著 4 3浸泡 时 间对 Cr 扩 散的影 响 选 取 1 ， 4 ， 7 ， 1 0 a 进 行 浸 泡 时 问对 再 生 混凝 土 C l 一 扩 散 的影 响分 析 ， 计算 结 果 如 图 8所 示 由 图 8 可 见 ： 随着 扩散 深度 的增 加 ， 自由 C 1浓 度 随着 浸 泡 时间增 加 而依 次 增 大 ， 浓 度分 布 曲线 在 界 面 过 渡 区 处发生突变 ， 出现局部峰值 ， 自由 c l浓度之间的差 异 随着 扩散 深 度 的 增 加 而 变 大 ， 随着 C l 浓 度 的 减 小 而变 小 ； 总 c 1浓度 随着 浸 泡 时 间增 长而 变 大 ， 浸 泡时间 1 a试件的总 c l浓度下降迅速 ， 并且在扩散 深 度 2 0 mm 处 已低 于 其余 试 件 的 自由 C l 浓 度 ， 浸 图 8不 同浸泡 时间下混凝土 中 C 1浓度沿扩散深度 的分 布 Fi g 8 Ch l o r i de i o n c o nc e nt r a t i on di s t r i bu t i o n a t di f f e r e nt i mme r s i o n t i me 泡时 间 7 a 试 件 的总 C l 一 浓 度 在 骨料 处 的变 化 不如 浸泡 时 间 4 a试 件 的 明 显 浸 泡 时 间越 长 的试 件 其 总 C l 量 越 大 ， C l 浓 度 随着 深 度 增 加 下 降 得 越 平 缓 ， 即骨料 处 的 C 1浓 度 降低越 不 明显 ， 但 界 面 处均 出现 C l浓 度 的峰值 4 4 老砂 浆厚 度对 Cr 扩散 的影 响 选 取 T 。 为 0 5 ， 1 5 ， 2 5 mm 进 行 老 砂浆 厚 度 对 再生 混凝 土 C l 一 扩散 的影响 分 析 ， 此 时 ， 其 余参 数 均 保持 不变 ， 计 算结果 如 图 9 所 示 图 9 不 同老砂 浆厚度下混凝土中 C l浓度 沿扩 散深 度的分布 Fi g 9 Chl or i d e i on c on c e nt r a t i o n d i s t r i but i on a t di f f e r e nt t h i c kne s s of o l d mor t a r 由图 9可 见 ： 再 生 混 凝 土 中 的 C l 一浓 度 沿 扩 散 深度 呈 波浪式 下 降 ， 其 中 自 由 C l 浓 度 随 着 老 砂 浆 厚度 变 大而 均匀 增 加 ， 老 砂 浆 厚 度 的增 加 对 扩 散 深 度较 浅 和较深 部 位影 响不 太 明显 ； 总 c 1 浓 度 随 着 老砂 浆厚 度 的增 加而变 大 ， 在扩 散深 度较深 部 位 ( 如 6 0 mm) 和 I TZ处影 响 比较 明显 ， 且 在较深 部位 骨 料 处 的 C l 一 浓度 变化 也 比较 明显 5 结论 ( 1 ) 再生 混 凝 土 的非 均 质 性 使 得 C l 在 混 凝 土 内部 的浓度 分布 和变 化 呈 现 不 均匀 性 对 于穿 越 骨 料 处 ， C 1 一 浓 度 均 随 着 扩 散 深 度 的增 加 而 呈 波 浪 式 下 降 ； 对 于 同一 扩散深 度 ， 天然 骨料 处 的 C 1 浓度 较 小 ， 老砂浆处的 C l浓度较大， 附着老砂浆和界面过 渡 区处 C 1扩 散较 快 ( 2 ) 结合 作 用影 响 C l 的扩 散 即便 是 自由 C 1 一 浓度 较 低时 ， 仍然 存在 较 高 的总 C l 一 量 ； 没 有 结合 时 的 自由 C 1 浓 度 普 遍 大 于 结 合 作 用 下 的 自由 C l 一 浓 度 ( 3 ) 再 生混 凝 土 自身 和 浸 泡 时 间 变 化 影 响 C 1 一 扩 散 再生 粗 骨 料 取 代 率 越 大 ， C l 浓 度 越 高 ； 老 砂 浆 厚度 的 增 加 对 较 深 部 位 的 C l 浓 度 分 布影 响 明 显 ； C I 一 浓 度 分 布 波 动 曲线 随着 浸 泡 时 间增 长 而逐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 8 建筑材料学报 第 1 6卷 渐平 缓 ( 4 ) 建议在 再生 混 凝 土结 构 寿命 评 估 和 预 测 时 考虑 C l 结合 的 非 线性 、 再 生 混凝 土 的非 均 质 性 和 L0J 浸 泡时 间 的 影 响 ， 建 议 骨 料 改 性 并 减 少 老 砂 浆 的 含 量 参考 文献 ： 1 2 3 4 S 0UTS 0S M N， TANG K K ， M I LLARD S G Co n c r e t e b u i l d i n g b l o c k s ma d e wi t h r e c y c l e d d e mo l i t i o n a g g r e g a t e J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 1， 2 5 ( 2 )： 7 2 6 - 7 3 5 KOU S C POON C S Co mp r e s s i v e s t r e n g t h， p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n a n d c h l o r i d e i o n pe n e t r a t i o n o f r e c y c l e d a g gr e g a t e c on c r e t e i n c o r p o r a t i n g c l a s s F f l y a s h J J o u r n a l o f wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y： M a t e r i a l s S c i e n c e ， 2 0 0 6， 2 1 ( 4)： 1 3 O 一 1 3 6 VI I LAGRAN ZACCARD1 Y A， Z EGA C J ， DI MAI O A A Ch l o r i d e p e n e t r a t i o n a n d b i n d i n g i n r e c y c l e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n Ci v i l En g i n e e r i ng， 2 0 0 8， 2 0( 6 )： 4 4 9 4 5 5 I S HI DA T， I QBAI P O， ANH H T LMo d e l i n g o f c h l o r ide 6 7 8 9 d i f f u s i v i t y c o u p l e d wi t h n o n l i ne a r bi n d i n g c a p a c i t y i n s ou n d a n d c r a c k e d e o n c r e t e E J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 O )： 91 3 9 2 3 M ARTI N PEREZ B，ZI B ARA H ，HOOTON R D，e t a 1 A s t u d y o f t h e e f f e c t o f c hl o r i d e b i n d i n g o n s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 8 ) ： 1 2 1 5 1 2 2 3 XI A0 J Z， YI NG J W ， SHEN L M FEM s i mu l a t io n o f c h l o r i d e d i f f u s io n i n mo d e l e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 2 2 3 I 0SER R ， L0THENBACH B， LEEM ANN A， e t a 1 Ch l or i d e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a n d i t s b i nd i n g c a p a c i t y Co mp a r i s o n be t we e n e x p e r i me n t a l r e s u l t s a n d t h e r mo d y n a mi c mo d e l i n g J Ce me nt& Co n c r e t e Co mp o s i t e s， 2 01 0， 3 2 ( 1 )： 3 4 4 2 ZENG Y W M o d e l i n g o f c h l o r ide d i f f u s i o n i n he t e r o s t r u c t u r e d c o n c r e t e s b y f i n i t e e l e me n t me t h o d J C e me n t& C o n c r e t e Co m p os i t e s ， 2 0 0 7， 2 9 ( 7 )： 5 5 9 5 6 5 M 0VASS AGHI R Dur a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c o r p o r a ri n g r e c y c l e d c o n c r e t e a s a g g r e g a t e ( R C A) D Wa t e r l o o ： Un i v e r s i t y o f W a t e r l o o， 2 0 0 6 粉煤 灰 双 月 刊 邮发代号 ： 46 3 9 粉煤灰 期刊为建设部主管 ， 中国城乡建设粉煤灰利用技术开发 中心主办 即时介绍 国家有关 固体废 弃物综合利用的政策法规 ； 固废综合利用最新 、 最前沿技术； 国内外 固废综合利用信息 为适应我 国建材市 场的发展及对 固体废弃物再生利用的重视 ， 2 0 1 2年起 ， 对期刊 内容进行 了调整 ， 即以粉煤灰为主， 并涵盖脱 硫石膏 、 建筑废弃物及其各类工业 、 农业 固废利用再生利用， 旨在扩大期刊的信息范围 ， 填补期 刊在该领域 或缺 ， 对粉煤灰之外的所有固体废弃物再利用技术进行介绍 ， 并促进对社会、 资源 以及环境友好和谐发展 的 生 态建 材 的理念 推广 ， 使绿 色建 筑材料 能在 我 国有一个 良好 的开 端和成 长 全 年订 价 6 0元 ， 可从 邮局订 阅 ， 也 可汇 款至 编辑部 订 阅 订 费可 由银 行信 汇或 邮汇 银 行 信汇 ： 汇入地 点 汇入单 位 用 途 邮局 汇款 ： 地址 ：上 邮 编：2 O 电话 ：O 2 上 海市 上海 市建 筑科 学研 究 院( 集 团) 有 限公 司 订 粉煤 灰 海 市西 区徐 家汇宛 平南 路 7 5号 0 03 2 164 6 4 07 1 1： 02 16 43 9 0 8 093 55 E ma i 1 ：6 4 6 4 0 7 1 1 1 6 3 c o rn 汇人银行 ： 招商银行上海徐家汇支行 汇人账 号 ：2 1 2 8 8 6 2 8 5 7 1 O O 0 1 单位 ： 粉煤 灰 编 辑部 联系人 ： 李 春 霞 传真 ： 0 2 1 6 4 6 9 4 5 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m