感潮河段水工混凝土氯离子扩散性能的时变关系及试验.pdf

第 2 6卷第 2期 2 0 l 4年 6月 浙江水利水电学院学报 J Z h e j i a n g Un i v o f Wa t R e s E l e c t r i c P o w Vo 1 26 NO 2 J u n 2 0 1 4 感潮河段水工混凝土氯离子扩散性能的时变关系及试验 王梁英 ， 石佳乐 ， 刘 如泰 ， 邹传仁 ( 1 浙江省建筑安装高级技工学校 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 2 ； 2 浙江工业大学 建筑工程学院 ， 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 3 浙江省建工建筑设计 院有 限公 司， 浙江 杭 州3 1 0 0 1 2 ) 摘要 ： 根 据暴露在 感潮河 口环境 下的 2种 水灰 比 R C梁的水工混凝 土暴 露试验 ， 测定 了不 同深度处的 自由氯离子 浓度 ； 推导 了混凝土氯 离子扩散性 能与时间关 系的一维模型 ， 并依据 一 维时 变扩散模 型计 算 了水工混凝 土的 自由 氯离子 浓度 结果表 明 ， 一维模型公式可 以较好地模拟该环境务件下水工混凝 土氯 离子的侵蚀 ， 并 可预 测长期侵 蚀 时 水 工 混凝 土 中 的 自由氯 离子 浓 度 关 键 词 ： 水 工 混 凝 土 ； 氯 离子 ； 一 维模 型 ； 感 潮 河 段 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 7 0 9 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 9 0 3 Ex p er i men t t e s t o n v ar i a bi l i t y r e l at i on s h i p ch l or i de d i f f u s i on per f or man c e o f h y dr au l i c c on c r e t e i n t i dal r ea c h WANG L i a n g y i n g ，S HI J i a 1 e ，LI U Ru t a i ，ZOU Ch u a n r e n ( 1 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n a n d I n s t a l l a t i o n T e c h n i c a l S c h o o l ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 2， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g ，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 ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4，C h i n a； 3 Z h e j i a n g J i a n g o n g Ar c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e Co L t d ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 2，C h i n a ) Abs t r a c t： Acc o r d i n g t o t h e h y dr a ul i c c o nc r e t e o f RC b e a ms wi t h t wo d i f f e r e n t wa t e r c e me n t r a t i o s e x p o s e d t o t h e t i da l r e a c h，a s e r i e s o f f r e e c h l o r i d e i on c o n c e n t r a t i o n s o f d i f f e r e nt d e pt hs a r e me a s u r e dAn d o ne d i me n s i o n mo de l be t we e n di f - f u s i o n o f c h l o r i d e i on a n d e r o s i o n t i me i s a n a l y z e d Ba s e d on o n e di me ns i o n mo d e l ，f r e e c hl o r i d e i o n c o nc e nt r a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c c o n c r e t e be a ms i S c a l c ul a t e dThe r es u hs s ho w t h a t t h e e r o s i o n o f hy d r a u l i c c o nc r e t e e x p o s e d t o t h e t i d a l r e a c h c a n b e s i mul a t e d a n d f r e e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n s c a n be c a l c u l a t e d by t h e o n e d i me n s i o n mo d e 1 Ke y wor ds： h yd r a u l i c c o n c r e t e；c hl o r i de i o n；o n e di me ns i o n mo de l ；t i da l r e a c h 0 引 言 氯离子向混凝土 中传输 的机理十分复杂 ， 其侵 蚀过程是 由扩散与毛细吸收等各种机理组合形成 的结 果 r i c k第 二定 律普 遍 应 用 于混 凝 土 中氯离 子 扩散 的研 究 ， 其 中 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， 分析混凝土 中自由氯离子浓 度 值的方法 ， 常采用 A g N O ，溶液滴定 法、 酸度计测试 法 等方 法 但 实 际 中， 受 到外 部 因素 和 时 间 的影 响 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 4 - 2 5 基金项 目： 国家 自然科学基 金项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9 ， 5 1 2 7 9 1 8 1 ) ； 浙江 省 自然科学基金项 目( L Y1 3 E 0 9 0 0 0 8 ) 作者简介 ： 王梁英 ( 1 9 8 5一) ， 女 ， 浙江嵊州人 ， 助理讲 师， 研究方 向： 水工混凝土 这 些测 试方 法并 不 能满 足 试 验研 究 的需 要 ， 需 要 进 行长期侵蚀结果的预测研究 本 文通 过现 场试验 研 究 ， 测 定 分 析 了 2种水 灰 比下混 凝土 梁 的 自由氯 离 子 浓度 值 ， 并 推 到 了 混凝 土氯离子扩散性能与时间关系的一维模型公式 ， 计 算 了混凝土不同深度处 的自由氯离子浓度值 分 析 的结论 表 明 ， 用 推导 的 一维 模 型 得 到 的计 算 值 和 现 场环境 下 的试验 值 较 为接 近 ， 可 以有 效 地 模 拟 出 氯 离子浓 度值 的分 布 趋势 ， 考虑 了水工 混 凝 土 氯 离 子 扩散性 能 的时 变模 型 1 混凝土氯 离子扩散 性能与时间关 系的一维模 型 r i c k第 二定 律描 述 的 是一 种 稳 态 扩 散过 程 但 实际上 ， 随 着 时 间 的延 长 ， 氯 离 子 在 混 凝 土 中 的扩 1 0 浙江水利水 电学院学报 第 2 6卷 散 系数 是变 化 的 ， 龄 期 较长 的混 凝 土氯 离 子 扩 散 系 数 较小 ， 尤 其 是 在 开 始 的 13年 内扩 散 系 数 降低 尤 为 明显 因此 ， 可 引入 时变扩 散 系数 D( t ) ： ： D 、 式 中 ： D( t ) 一 混凝 土从 开始 暴 露 到检 测 时 ( t 时 刻 ) 扩 散系数 ， mm s ； D 。 一 混凝土暴露 t 。 时刻的扩散系数 ， mm s ； 一 混凝 土暴露 于氯 离子 环境 中 的时 间 ， S ； 。 一 相 应 于 D 。的时 间 ， S ； m一 经 验常 数 将时变扩散系数 D ( t )引入 F i c k第二定律中 ， 有 ： O C ： ) 孥 ( 2 ) 式 中 ： C 一 氯 离子 浓度 ， ； 一 氯 离 子侵蚀 的深 度 ， mm； D( t ) 一 混 凝 土 从 开 始 暴 露 到 检 测 时 扩 散 系 数 ， 即时变 扩散 系数 ， m m s ； 通 过变 量代 换 ， 可得 到考 虑 扩散 系数 时 变 性 的 氯离 子扩 散模 型为 ： c c ， ，=c 。+c c 一c 。 一 e (商 式 中 ： c( ， t ) 一 混凝 土距 离 表 面 ( mm) 处 t 时刻 混 C 一 表 面氯离 子浓 度 ， ； 。 一 相 应 于 D 。的时 间 ， S ； e rf ( ) - t 差函数 ， e rf ( ) J 。 e rp (一z ) d z 2 水工混凝 土暴 露试验 的现场环境 及 试 验 方 法 表层 水体 中 ， 水 溶性 氯离 子 的含量 大致 为2 7 m g L 图 1 现 场 环 境 所 在 的 地 理 位 置 2 2 试验 方 法 本 文 分 析 的 试 验 水 工 混 凝 土 为 2个 水 灰 比 ( 0 4 5和 0 6 0 ) ， 以 R C梁 放 置 于现 场 均 在 室外 自 然 环境 养 护 2 8 d 试 验 水 工 混 凝 土 梁 的 尺 寸 为 1 2 0 0 m m2 0 0 m m 1 2 0 m m， 梁 底部 配 2 q 1 0的钢 筋 ， 架立 筋 为 2 q 1 0的 钢 筋 ， 箍 筋 为 6 1 2 5 ， 混 凝 土 保护层 为 2 5 m m 水 工 混凝 土梁 成 型 2 8 d后 ， 放 置 于现 场前 ， 在 梁 的 四个 侧 面 均 匀 涂 上 环 氧 树 脂 ， 保 留梁 的上 下两 面暴 露 在 自然感 潮 环 境 中 水 工 混 凝 土 中 自由氯离 子浓 度测试 方 法 与文献 7 相 同 第 2期 王梁英 等 ： 感潮 河段 水工混凝 土氯 离子扩散 性能的时 变关 系及试验 l l 3 感 潮河段水工混凝土氯 离子扩散 性能的时变关系及试验验证 磨 3 1 试 验 结果 在暴露1 1 4 0 d 后， 根据王梁英 和伍亚玲 髫 可分别 得到 经验 系 数 m 和试 验 梁 混 凝 土 的表 面 浓 皿 度 C 。 ， ( 见表 1 ) 表 1 2种水灰 比下混凝 土梁 的经验 系数 m和 表 面 氯 离 子 浓 度 C ( ) 将相应系数代人上式 ( 3 ) ， 可得到 2种水灰 比下的 一 维模型分别为式 ( 4 ) 和式( 5 ) ： - o 4 E t j 4 oo： ,_o c ， z = 。 4 。 8 一 e (意0811 式 中 ： t o 一养 护 2 8 d后侵蚀 1 2 0 d作 为参 考期 ； D 一侵蚀 1 2 0 d的混凝土氯离子扩散系数( 即 为初 始扩 散系 数 ) 2种 水 灰 比在 上 述 环境 条 件 下 的水 工 混凝 土 ， 不 同深度 处 的 自由氯 离 子 浓 度 值 与 一 维 模 型公 式 ( 4 ) 和( 5 ) 分别计算的试验值比较 ( 见图 2 ， 图 3 ) 鬈 摄 盖 距表面深度 m m 图 2 l 1 4 0 d水灰 比为 0 4 5的混凝土梁一维 模型计算和测试 自由氯离子浓度分布图 图 3 l 1 4 0 d水灰 比为 0 6 0的混凝土梁一维模型 计算和测试 自由氯离 子浓度分布图 3 2 一维 模 型和现 场环 境 的试 验结 果分 析 分析 图 l和图 2可知， 2种水灰 比的水工混凝 土 ， 一维模型公式所计算 出的混凝土 中 自由氯离子 浓度 值与 现 场 环 境 下 自由 氯 离 子 浓 度 值 实 测 值 有 着 明显 的相 似性 ， 均 呈现 出随 深 度 的增 加 浓 度 值 下 降 的规律 ， 并 随 着 深 度 的 延 伸 ， 其 模 拟 数 值 越 接 近 现 场试验 值 比较 图中整体 曲线趋势可知 ， 一维模型可以更 为简便地 模 拟 出 水 工混 凝 土 不 同深 度 处 自由 氯 离 子 的分 布 不 过 ， 对 于 自由 氯 离 子 浓 度 的 对 流 区 厚 度 ， 还需 进一 步 的试验 验证 研究 4 结 论 ( 1 ) 考虑 混 凝 土 氯 离 子 扩 散 性 能 的时 变性 ， 建 立 了混凝土氯离子扩散的一维时变计算模型 ( 2 ) 以实 测 的感 潮 环境 条 件 下长 期 暴 露 的水 工 混凝 土 中氯离子 浓度 ， 验证 了该 环境条 件下混凝 土氯 离 子一维时变计 算模型 2种 水灰 比的混凝 土计 算 出 的氯离子浓度值与实测值较为接近 ， 模拟效果越好 参考 文献 ： 1 余红发， 孙伟 ， 麻海燕， 等 盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命的 预测模型及其应用 J 东南大学学报 2 0 0 2， 3 2 ( 4 ) ： 6 3 8 6 4 2 2 C O S T A A， A P P L E T O N J C h l o r i d e p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e i n ma r i n e e n v i r o n me n t - Pa r t I ： ma i n p a r a me t e r s a f f e c t i n g c h l o r i d e p e n e t r a t i o n J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ( 3 2 ) ： 2 5 2 2 5 9 3 Ma n g a t P S ，MOL L Y B T P r e d i c t i o n o f fl e e c h l o r id e c o n c e n t r a - t i o n i n c o n c r e t e u s i n g r o u t i n e i n s p e c t i o n d a t a J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 4 6 ( 1 6 9 ) ： 2 7 92 8 7 4 王仁超， 朱琳， 李振福 混凝士氯离子综合机制扩散模型及敏感 性研究 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 6 ( 6 ) ： 8 2 4 8 2 8 5 王梁英 荷 载对 混凝土氯 离子扩散性能 和钢筋初锈 时间的影 响 D 杭州 ： 浙江工业 大学， 2 0 1 1 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 7 伍亚 玲 氯 盐环 境 下混 凝土 结构 钢筋 坑 蚀预 测 的随机 方 法 f D 杭州 ： 浙江工业大学 ， 2 0 1 3 0 0 O O O 0 O O 0 0 0 O O 0 O O O 0 O O O O O O 0 O O O O 加 H m 吣 舛