自然扩散法预测感潮环境下混凝土氯离子侵蚀.pdf

第 1 4卷第 2 期 2 0 1 1年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 4 ， No 2 Ap r ， 2 01 1 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 1 6 4 0 6 自然扩散法预测感潮环境下混凝土氯离子侵蚀 张俊 芝 ， 郑 辉 ， 周建 民， 王梁英 ， 刘华挺 ( 浙 江 工业 大学 建筑 工程 学 院 ， 浙 江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ：通过对 自然感潮环境下混凝土的 自由氯 离子 浓度分布的分析 ， 研 究了既有混凝土氯 离子侵 蚀的特征及扩散特性， 采 用室内自然扩散法进行 了模拟扩散试验 ， 并根据 F i c k第二定律和 Mo n t e C a r l o法分析 了既有混凝土和试验混凝土的扩散参数及钢筋初始锈蚀 时间 结果表 明： 自然环境下 混 凝土 的氯 离子侵 蚀存 在 明显 的对 流 区， 自然扩散 法 的氯 离子 扩散 系数 大 于 自然 环境 下 2个数 量 级 ， 模 拟 混凝 土 中钢筋表 面的 自由氯 离子 浓度是 自然环境 下 实 际浓度 的 2倍 ， 钢 筋初 始锈 蚀 时间是 实际 的 2 4 0倍 关键词 ：既有混凝土；氯离子；自然扩散法； 初始锈蚀时间； 预测 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 2 0 0 4 Er o s i o n Pr e d i c t i o n o f Chl o r i d e I o ns i n Ex i s t i ng Co nc r e t e u n d e r t he Na t u r a l Ti d a l En v i r o n me n t b y t he Na t u r a l Di f f u s i o n M e t ho d ZHANG Ju n z h i ， ZHENG Hu i ， ZHOU Ji a n mi n， WANG Li a n g y i n g， LI U H u a t i n g ( C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e& C i v i l E n g i n e e r i n g，Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f Te 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 ) Abs t r a c t ：Cha r a c t e r i s t i c s o f e r o s i o n a nd di f f u s i on of f r e e c hl o r i de i o n s i n e x i s t i n g c o n c r e t e a r e s t u d i e d t h r ou gh a n a l ys i s f or c hl or i d e i on c o nc e nt r a t i o n d i s t r i bu t i o n o f c o nc r e t e i n t he na t ur a l t i d a l e n v i r on m e nt ，a s i mu l a t i o n e x p e r i me n t f o r c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n b y t h e i n d o o r n a t u r a l d i f f u s i o r me t h o d i S t e s t e d。d i f f u s i o n p a r a m e t e r s a n d t he i n i t i a l c o r r o s i on t i me o f s t e e l b a r i n c o nc r e t e o f e xi s t i n g c on c r e t e a nd e x pe r i m e n t a l c on c r e t e a r e a na l yz e d on t he ba s i s o f Fi c k， S s e c o nd l a -q g a nd t he M o nt e Ca r l o m e t ho d The e x pe r i m e nt a l a nd a n a l ys i s r e s u l t s s ho w t h a t t he r e a r e o bv i ou s c on ve c t i v e r e g i o n o f c hl o r i de i o n i n gr e s s i n t h e na t u r a l e n vi r o n me n t 。t h e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t me a s u r e d b y t h e n a t u r a l d i f f u s i o n me t h o d i s t wo o r d e r s o f ma g n i - t ud e l a r ge r t h a n t h a t i n t he na t u r a 1 t i d al e nv i r on m e nt ，a n d f r e e c hl o r i d e i o n c o nc e n t r a t i o n o f r e i nf o r c e me nt s u r f a c e i n s i mu l a t e d c o n c r e t e i S d o u b l e o f a c t u a l 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 t h e n a t u r a l t i d a 1 e n v i r o n me n t ， i ni t i a l t i me o f c or r o s i on of s t e e l b a r i n e x pe r i me n t a l c o nc r e t e i s 2 4 0 t i me s h i g he r t ha n c o nc r e t e i n t he n a t u r a l e n v i r on m e nt Ke y wo r ds ：e xi s t i n g c o nc r e t e；c h l o r i d e i o n；n a t ur a l d i f f u s i on me t ho d；i ni t i a l c o r r o s i o n t i m e ；p r e di c t i on 氯离子对钢筋腐蚀和构件破坏的过程通常包括 氯离子侵蚀 、 钢筋锈蚀膨胀 和保护层开裂等三个 阶 段 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 ， 即标志着达到混凝土构件耐 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浓度达到钢筋锈蚀临界浓度 的时间预测 实际上 ， 自然环境下混凝土中的氯 离子迁移是一个非常复杂的随机过程 ， 氯离子 的扩 散性能也是与时间有关 的 ， 现有 的室 内模拟试验 方法或多或少地存在一定的局限性 ， 对于氯离子 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 0 6 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 0 2 0 3 基金项目： 国家自 然 科学基 金资助 项目 ( 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 第一作者 ： 张俊芝( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 江西金溪人 ， 浙江工业大学教授 ， 博士 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 ： 自然扩散法 预测 感潮环境下混凝土氯离子侵蚀 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 9 本 文结 合取 得 的曝 露于感 潮 环境下 多 年 的水 闸 闸门混凝土芯样和氯离 子扩散特征参数 ， 以 自然扩 散法口 明进行模拟扩 散试验 ， 根据 F i c k第二定律 和 Mo n t e C a r l o法分析 了钢筋初始 锈蚀时间 ， 并研 究 了该 自然环境下侵蚀和试验环境下钢筋腐蚀 的时间 相 似性 1 自然环 境下既有混凝土氯离子侵蚀 及 扩散特性 自然环 境 下 的水 闸 工程 位 于 钱 塘 江 河 口地 区 ， 距离杭州湾大桥沿海塘 的河岸线 大约 7 0 k m 结 合 该水闸的拆除 ， 取得了闸 门和闸墩等部位的混凝土 芯 样 ， 以及 闸墩 混 凝 土 中的钢 筋 和 闸 门 中 的钢 丝 混 凝土中自由氯离子浓度的测试方法如文献 1 1 1 2个 闸门混凝 土芯样距 离 底板 高 度 为 1 3 0 0 2 0 0 0 mm， 芯样直径为 1 0 0 mm， 均全部洞穿取得 至取样时 ， 曝 露于 自然感潮氯盐环境下 已经 2 6 a ， 混凝土闸墩 钢 筋和闸门钢丝已开始锈蚀 既有 闸门为钢丝网混凝 土闸门， 根据调查与室内推定 ， 其混凝土 的水灰 比为 0 5 0 引 1 1 自然 环境 下混 凝 土的氯 离子 浓度 根据取得的芯样测试混凝土中的自由氯离子浓 度( 本文 的浓度 为 自由氯离 子 占混 凝 土 的质 量 分 数 ) 1 2 个 闸门混凝土芯样 中 6个 的氯离子浓度测 试间距为 1 ram( 每个芯样取得 6 0个 以上的数据) ， 另外 6 个近表面( 迎潮水与背潮水两面) 1 0 mm 内的 间距 为 1 ram( 每个 芯样 取 得 1 O个 数 据 ) 图 l为 6 个芯样( 测试 间距为 1 ram) 的氯离子浓度分布图， 其 中 A是距离底板 高度 2 0 0 0 mm 的芯样 ， B是距离 底板高度 1 3 0 0 mm 的芯样 1 引 0 l O 2O 3 O 4 0 5 O 6 O 7 0 De p t h mm 图 1 既有闸门混凝土中氯 离子浓度分布 F i g 1 Di s t r i b u t i o n o f 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 i n e x i s t i ng c on c r e t e o f s l u i c e g a t e s 1 2个闸门混凝土 中， 迎潮水面 的最高氯离子浓 度处与表面 的距离均值为 6 4 mm， 背潮水面则为 5 6 mm 因此 ， 闸门混凝土存在对流区( 厚度大致为 6 0 ram) ， 之后 则 为稳定 扩散 区域 实际 自然环境下水工混凝土受氯离子侵蚀 的过 程 是一 个 随机 过程 ， 影 响不 同深 度 处 的氯 离子 浓 度 分布的因素较多 曝露多年的构件 ， 受外界 自然环境 因素及氯离子浓度 的不确定性影 响， 即使是 同一部 位 、 相同深度处的氯离子浓度也存在随机性 闸门混 凝土中氯离子浓度分布的随机性在近表面远大于混 凝土内部 ， 在强感潮环境下 ， 水工混凝土中氯离子 的 侵蚀机理和分布规律在混凝土 内部和近表面有明显 不同 氯离子在混凝土内部基本符合稳定扩散特点 ， 而在 近表 面处 则表 现 出 明显 的 随机性 根 据分 析 ， 相 同深度处 的氯离子浓度符合对数正态分布 1 2 自然环 境 下混 凝土 氯离 子扩散 特性 参数 稳定扩散区的氯离子扩散过程一般用 F i c k第 二 定律来 描 述 ， 有 氯 离子扩 散方 程 3 ： t C o +( c 一C o ) ( 一e r r J ( 1 ) 式 中 ： C 。 为 混 凝 土初 始 氯 离 子 浓 度 ； C 为 混 凝 土 表 面处氯离子浓 度； D 为混凝土 的氯离子扩散 系数 ； C 为时刻 t 距离混凝土表面 oZ 处的氯离子浓度 根据 芯 样测试 得 到 的 自由氯 离 子 浓 度 ， 以上 述 方程用最小二乘法拟合混凝土扩散参数 ， 侵蚀时 间 取 t 一2 6 3 6 5 2 4 3 6 0 0 8 1 9 9 4 1 0 S ， 将 每 个混凝土芯样各 深度处 的坐标 值 ( z ， C ) 代 入式 ( 1 ) 由于近混凝土表面的氯离子浓度并不符合扩散 规律 ， 故从混凝土表面开始依次排除不符合 的数据 ， 用其余数据拟合式( 1 ) ， 要求相关 系数 R。 尽可能接 近 1作为拟合优度的检验 ， 如果不满足这一条件 ， 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 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 排除对流区的数据 ， 以对流 区和扩散 区界面为 扩散表面来拟合以下方程 ： ， 一V、 Cx ,t 一 + ( c 一 ( 一 e r ) ) 式中： C 为对 流区与扩散 区界 面处的氯离子浓 度， X 为对 流 区厚度 以闸门芯样 B 4的迎潮水面氯离子浓度分布为例， 拟合得到 x l 一7 I n l n ， C o 一0 0 3 4 2 ， C l 一0 2 3 3 O ， D一1 0 2 9 2 x 1 0 。m。 s ， R。 =0 9 6 9 1 得 到 方 程 ( 2 ) 的各参数后 ， 再将 z 一0 代人该方程 ， 即可得到理 论上的混凝土表面氯离子浓度 c 。 = = ： 0 3 1 4 5 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O 摹 口 0 一 菩 口 D 目 0 0 口 0 一 言 口 I q U 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4 卷 从拟合所得结果来看 ， A组混凝土芯样 ( 距闸底 板 2 0 0 0 mm， 迎潮面) 扩散表面的氯离子浓度均值为 0 3 5 0 7 ， 扩 散 系数 的均 值 为 1 4 0 7 5 1 0 。 m2 s ； 而 B组混凝 土 芯样 ( 距 闸底板 1 3 0 0 mm， 迎潮 面 ) 扩 散表面的氯离子浓度均值为 0 2 0 6 7 ， 扩散系数 的 均值为 0 9 6 5 2 1 O 。 m2 s 所有芯样均取 自同一闸 门， 混凝土性能差异较小 ， 扩散系数出现差异的原 因 应该是 A组芯样所处的闸门上部水位变化更频繁 ， 混凝土本身的随机性等 经假设检验， 6个芯样拟合 的扩散系数服从对数正态分布 2 混凝土氯离子扩散试验 与扩 散参数 的拟合 2 1 原材 料与试 验 方法 根据上述既有混凝土测得 的配合I ： L E ” ， 设计室 内 自然扩散 法 侵蚀 的试 件 试 验 用 所 有 原材 料 均 来 自杭州地区 水泥为钱潮牌 P O3 2 5 R； 所用骨料最 大粒 径为 3 1 5 mm； 砂 子 采 用细 度 模 数 为 2 7的 中 砂( 级配合格) ； 拌和水和养护用水为当地 自来水 所 有试件配合 比的砂率均采用 2 9 5 5组试件配合 比见表 1 ， 坍落度 5i 0 c m， 其 中的 3 为模拟既有 闸 门混凝 土 表 I 模拟侵蚀混凝土配合 比 T a b l e 1 Ex p e r i me n t a l mi x pr o p o r t i o n o f s i mu l a t e d c o n c r e t e 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 5 2 5 1 0 2 4 4 3 1 2 1 0 4 6 7 1 0 6 4 4 4 3 2 1 0 4 2 0 1 0 9 6 4 5 8 2 1 0 3 8 2 1 1 2 3 4 7 0 2 1 0 3 5 O 1 1 4 8 4 8 0 2 1 0 为模拟使用超过 2 0 a的混凝 土氯离子扩散性 能 ， 上述混凝 土中均未掺加 外加剂 按照规 范 1 要 求制备的每组各 6个 圆柱试件 其直径与高度均 为 1 0 0 mm， 并在标准养护条件下养护 2 8 d 1 ； 同时按 照规范制备了立方体抗 压强度 、 孔 隙率测试的试 件 每 组各 3个 自然扩散法广泛用于测试各种多孔材料l_ 6 ， 也 可用于从现存 混凝土结构所取 得 的试样 以及超 过 2 8 d养护龄期的现浇试样测试 本文所用的方法是 NT B u i l d 4 4 3方法_ 1 ， 试件标准养护 2 8 d后 ， 过 圆 柱的轴线平行于圆截面将其切为两半 ， 一半作为试 样记为 D， 另一半备用记为 C( 用于测试混凝土中初 始氯 离子浓度) ； 将试 样 D浸 泡于 C a ( OH) 。溶液 中， 每隔 2 4 h称量其表干状态的质量 ， 直至两次称 量之 间 的质 量变 化 不超 过其 质 量 的 0 1 1 ； 试 样 D 在室温下干燥至稳定的表干状态 ， 将其侧面和非 曝 露面用环氧树脂( 或硅胶) 进行密封， 并再次浸泡于 C a ( OH) 溶液 中， 重复前一步骤 ； 试样 D在表干状 态下浸泡于预先配置好的 N a C 1 溶液 中， 其浓度为每 1 0 0 0 mL水中含( 1 6 5 1 )g Na C 1 ，浸泡 3 5 d ， 每周摇 动 1 次 ； 浸泡结束后立即在曝露面磨粉取样 ， 用美国 T h e r mo 7 2 0 A酸度 计测试溶 液 中的 自由氯离子 浓 度l 1 利用 最 小二 乘 法 拟合 F i c k第 二 定 律 ， 可 得 到 氯 离子 扩散 系数 2 2试 验 结果 测试得到的 5组试件中自由氯离子浓度均值随 深度的变化见图 2 ， 它可反 映水灰 比变化对氯离子 侵 蚀 的影 响 零 i 重 髻 吞 图 2 混凝土氯离子浓度 均值 随深度变化 F i g 2 M e a n c o n c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e i o n s wi t h d e p t h s i n t e s t c o nc r e t e 模 拟 既有 闸门 的 3 试 样 ( 水灰 比 0 5 0 ) 的 6个 平行试 件 中 自由氯离 子浓 度 随深度 的分 布见 图 3 薹 l =薹 耄 图 3 模拟 闸门的混凝土氯离子浓度随深度变化 Fi g 3 Co nc e nt r a t i o n of c hl or i d e i o ns wi t h d e pt hs i n s i mu l a t e d c o nc r e t e o f e x i s t i n g ga t e s 由图 2 ， 3可见 ， 由 于浸 泡 于 C a ( OH) 溶 液 中 ， 试件的自由氯离子浓度随深度稳定下降 ， 这是与曝 露于干湿循环的自然环境下既有混凝土侵蚀 的不同 之处 ， 其并不存在对流区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 张俊芝 ， 等 ： 自然扩散法 预测感潮 环境下混凝土氯离子侵蚀 2 3试验混凝土氯离子扩散参数 的拟合 对于浸泡 在氯 盐溶 液 中 的混凝 土试 件 ， 由于 Na C 1 溶液的浓度保持不变 ， 这样混凝土表层的氯离 子浓 度 c 逐渐 与 浸 泡溶 液 浓 度 趋 于 一 致 在 浸 泡 混 凝土试件中的氯离子传输 以扩散为主， 其侵蚀规律 基本符合 F i c k第二定律 因为不存在对流 区， 无初 始氯离子浓度 ， 故氯盐浸泡试验条件下混凝土试件 中氯离 子扩 散 特性 参 数 用最 小 二 乘法 和 如 下 的 F i c k第二扩散定律拟合 ： Cx ,t cs( 卜e r f x) ( 3 ) 式 中 ， 时 间 t 为 3 5 d 以相关 系数 R。 尽 可能 接 近 1作 为 拟 合 优 度 的 检验条件 ， 拟合模拟 闸门的各混凝土试件 的扩散参 数 ， 见 表 2 表 2 模拟 闸门的混凝土氯离子扩散参数 Ta b l e 2 Di f f u s i o n p a r a me t e r s o f c h l o r i d e i o n s i n s i mu l a t e d c o n c r e t e o f e x i s t i n g g a t e s 由表 2可得 ， 模拟闸门的 6个试件氯离子扩散系 数均值为 1 5 2 5 6 1 0 m2 s ， 标准差为 0 3 3 2 1 1 0 m2 s ， 服从对数正态分布 模拟试验得到 的扩散 系数 比 自然 环境 下 的数 值 大 2个 数 量 级 ， 原 因主 要 是氯离子扩散系数与时间有关 ， 随时间延长 ， 氯离子 扩散系数降低 ； 其次是模拟条件不尽相 同， 自然环境 下为多次干湿循环 ， 并受到荷载的作用 图 4是 5组模拟混凝土拟合的氯离子扩散系数 均值随水灰比变化情况 图 4 试验混凝土氯离子扩散系数均值随水灰 比的变化 Fi g 4 M e a n o f c h l o r i d e di f f u s i o n c o e f f i c i e nt s wi t h wa t e r - c e me n t r a t i o of t es t c o nc r e t e 在高浓度氯盐溶液中浸泡的室内试验结果有可 能偏高而低估 了混凝土在一般氯盐环境中的抗侵入 能力 所 以 ， 在应 用室 内 的模 拟测 试 数据进 行 混凝 土 构件寿命预测时， 应结合工程实际情况予以修正 3 钢 筋 初 始 锈 蚀 时 间 预 测 的 Mo n t e C a r l o方 法 3 1 自然环境下混凝土中钢筋初始锈蚀 时间的预测 以氯离子扩散系数为 常数 的初锈时间预测 ， 利 用排 除对流区氯离子浓度值的扩散参数 ， 则可 以从 氯离子扩散 自对流 区与扩散区的界面开始模拟 对 式 ( 2 ) 进 行 变 换 ， 可 得 到 钢 筋初 锈 时 间 的 预 测 表 达 式 为 ： f e r r 1 ( 4 ) 4 c 1一C o 式中： t 为钢筋初锈时间， C 为临界氯离子浓度 根 据 闸门混 凝 土 芯样 测 得 ， 闸 门混 凝 土 的厚 度 均值 为 6 8 3 mi l l ； 迎潮水面一侧布置的钢丝直径为 4 mm， 钢丝的保护层厚度均值为 1 5 6 3 mm 钢筋 的 初锈时 间 即为 钢筋 表 面达 到 临 界氯 离 子 浓度 的 时 间 自然 环境 下 闸 门混 凝 土 中氯 离 子 的对 流 区厚 度 x 均值为 8 6 7 mm， 以临界浓度 i 均值 0 1 8 ， 标 准差 为 0 0 2 和上 述 扩 散 参 数 及 其 统 计 的分 布 ( 除混凝土保护层厚度按正态分布外 ， 其余参数为对 数正态分布) L 1 引， 利用式 ( 4 ) 即 Mo n t e C a r l o法模拟 1 0 0 0 0 0次时， 求得闸门混凝土中钢丝初始锈蚀时间 的均值 为 2 5 3 a ( 即 1 5 6 3 mm 处 的氯 离 子 浓 度 达 到 临界 浓度 0 1 8 的 时 间) ， 标 准差 为 1 3 4 6 a 图 5 是不 同 临界 浓 度 标 准 差 ( 用 S表 示 ， 其 均 值 为 0 1 8 ) 时闸门钢丝初锈时间的概率分布函数 图 图 5 闸门钢丝初锈时间概率分布 Fi g5 Pr o ba b i l i t y d i s t r i bu t i o n o f c or r os i o n i ni t i a t i o n t i me of s t e e l wi r e i n g a t e s 实际取得 的钢丝多数 已经 出现锈蚀 ， 但程度较 轻 ， 上述预测 的结论 是与实 际情况 吻合 的由此说 日 0 召 拿 吾 I p茸一 一 o lJ 8 【 。 曙 8 u g 一 磊 弓 0蠹 0 苫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4 卷 明， 如果考虑混凝土中的氯离子扩散系数为常数时， 该环境下闸门混凝土中钢丝锈蚀的临界氯离子浓度 均值 为 0 1 8 左 右 另 外 ， 根 据计 算 ， 临界 浓 度 的变 异 系数对 钢丝 初始 锈 蚀 时 间 的 影 响很 小 如 其 他 条 件不变 ， 临界浓度的标准差为 0 0 1 时( 即其变异 系数从 0 1 1 1降低为 0 0 5 6 ) ， 可求得闸门混凝土中 钢丝初始锈蚀时间的均值为 2 6 0 a 3 2 试 验条 件下 混凝 土 中钢筋初 始锈 蚀 时间预 测 试验条件下的扩散仍然用 F i c k第二定律 ， 但由 于其初始 浓度为 0 ， 故采用式 ( 3 ) 对 式 ( 3 ) 进行变 换 ， 则得到钢筋初锈时间的预测表达式为 ： 一 ( e ) 式 中： D 为室内 自然扩散试验条件下的扩散 系数 ， 是通过将所测得 的氯离子浓度 与 F i c k第二定律的 误差函数曲线进行拟合获得 的 仍然以闸门 昆 凝土中钢丝的保护层厚度均值为 1 5 6 3 mm， 临界浓 度均值 0 1 8 ， 标 准差 为 0 0 2 和上述试验条件下 的扩散参数及其统计 的分布， 用 Mo n t e C a r l o法模拟 i 0 0 0 0 0次 ， 求得钢丝初锈时间 的均值 为 3 8 9 d 图 6是 临界 浓 度 标 准 差不 同 时钢 丝初锈 时 间概率 密 度 函数 图 ， 由图 6可 见 临界 浓 度 的 随机性 影响 不大 T i m e d 图 6 临界浓度标准差不 同时模拟混凝 土中钢丝初锈 时问概率密度 图 Fi g 6 Pr o ba bi l i t y d e ns i t y di s t r i b ut i o n o f c o r r o s i o n i ni t i at i o n t i me o f s t e e l wi r e i n s i mu l a t e d c o n c r e t e o f d i ffe r e n t s t a nd a r d de V i a t ion of c r i t i c a l c hl or i de l e v e 1 4 扩散试验 的相似性分析 4 1 钢筋 表面 氯离 子浓 度的 相似 性 根 据 自然环 境下 已暴 露 2 6 a的闸门混凝 土 中氯 离子侵蚀深度及 自由氯离子浓度可得 ， 6个芯样迎潮 面在钢丝处( 1 6 mm深度处) 的平均浓度为0 1 6 8 1 既有闸门混凝土 自然扩散法模拟试验的氯离子浓度 与深度的拟合曲线为( 相关系数为 0 9 9 5 3 ) ： C ( z)一 0 0 0 6 8 x 一 0 1 9 6 4 x+ 1 7 6 3 7 ( 6 ) 在 1 6 mm 处 的浓 度 为 0 3 6 2 1 ， 是 自然 环 境 下的 2倍多 以 1 0 mm深度为计算点， 则 自然环境 ( 1 2个 芯样 ) 与模 拟试 验 ( 6个试 件 ) 的平 均浓 度分 别 为 0 2 8 1 8 和 0 4 2 4 1 ， 也 是近 2倍 的关 系 因此， 按照 自然扩散法模拟钱塘江河 口地 区 自 然感潮环境下的混凝土氯离子侵蚀 ， 在相同深度处 ， 试验条件下的浓度是 自然环境下的 2 倍左右 4 2钢筋初 锈 时 间的相似 性 以上述全概率方法进行钢筋初始锈蚀时间预测 时， 在 锈蚀 临界 氯离 子浓 度 为 0 1 8 ， 标准 差 为 0 O 1 ， 0 0 2 和 0 0 3 时 ， 自然 环 境 下 的 闸 门 钢 丝初始锈蚀 时间分别 为 2 6 0 ， 2 5 3 ， 2 4 8 a ， 模 拟混 凝 土的钢丝初始 锈蚀时 间分别 为 3 9 4 ， 3 8 9 ， 3 8 4 d 按 照初 始锈 蚀时 间 的相 似 性 分 析 ， 自然 环境 与试 验 条 件下 的关 系大致为 2 4 0倍 的关 系 ， 即加 速倍数 是 2 4 0倍 必须指出的是， 上述钢筋开始锈蚀时间是钢筋表 面 的氯 离子浓度达到 临界浓度 的时 间 由于 自然环境 下的条件与试验条件不 同， 即使是都达到临界浓度 ， 也并不 表 明即刻开始 锈蚀 ， 对 于这一 问题还有 待进 一 步研究 另外， 根据分析计算， 混凝土保护层厚度、 氯 离子扩 散系数 、 临界氯 离子浓度 均值是 该感潮 环境 下 钢筋( 钢丝) 初始锈蚀时间的主要影响因素 ， 各 自的变 异性则 影响很小 ， 这 与 已有研究相一 致_ 3 5 结论 1 自然感 潮 环境下 的 既有 闸门混凝 土氯 离 子 侵 蚀存在对流区， 其厚度大致为 6 0 mm； 在稳定扩散 区， 相同深度处的氯离子浓度为对数正态分布 2 根据 自由氯离子浓度实测值和 F i c k第二定律 对稳定 扩散 区 的拟合， 自然 环境 下 的扩 散 系数 为 1 O 。 m 2 s 量级， 而自然扩散法模拟试验的扩散系数大 于自然环境下 2个数量级， 但均服从对数正态分布 3 自然环境下 闸门钢丝初始锈蚀时， 其钢丝表 面的临界浓度均值为 0 1 8 左右 ， 其变异性对钢丝 初始锈蚀时问的影响很小 4 以钢筋表面 的 自由氯离子浓度分析， 室 内 自 然 扩散法 试验 时 的浓度是 自然 环境 下 实 际浓 度 的 2 倍关系 ； 而以钢筋初始锈蚀时间的相似性分析， 试验 条件下的加速倍数是 2 4 0 参考 文献 ： 1 郑建军 ， 周 欣竹 ， L I C h u n - q i n g 钢筋混 凝土结 构锈 蚀损伤 的 ( 下 转 第 1 7 9页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 刘锋 ， 等 ： 再 生塑料改性混凝土力学性能研究及数 值模 拟 1 7 9 ( 上接第 1 6 8页 ) 解析解E J 水利学报 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 6 2 6 8 Z HEN G J i a n j u n ， Z HOU X i n - z h u ， L I C h u n q i n g An a l y t i c a l s o l u t i o n f o r c o r r o s i o n da ma g e o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e s t r u c t u r e s E J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 3 5( 1 2 ) ： 6 2 6 8 ( i n Ch i n e s e ) 2 L I ANG Min 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 nc 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 me n t J AS C E， J o u r n a l o f I n f r a s t r u c t u r e S y s t e ms ， 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E J 水 利学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 5 ) ： 6 3 0 6 3 6 M A Ya l i ， ZHANG Ai l i n Pr o b a b i l i s t i c mo de l o f c o r r o s i o n i n i t i a t i o n t i me o f s t e e l b a r i n c o n c r e t e s t r u c t u r e J J o u r n a l o f Hy dr a u l i c En g i n e e r i n g， 2 0 0 7， 3 8( 5 ) ： 6 3 0 6 3 6 ( i n Ch i n e s e ) 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 机模型口 河海大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 8 4 1 WU J i n， W U S h e n g x i n g S t o c h a s t i c mo d e l o f c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t io n a t s t e e l - c o nc r e t e i n t e r f a c e i n ma r i n e e n v i r o n - me n t J J o u r n a l o f Ho h a i Un i v e r s i t y ：Na t u r a l S c i e n c e s ， 2 0 0 4， 3 2 ( 1 )： 3 8 41 ( i n Ch i ne s e ) 5 MANGAT P S， MOL L OY 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 c t u r e s ， 1 9 9 4， 2 7 ( 7 )： 3 3 8 3 4 6 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 8 4 1 ， 4 6 WU J i a n - h u a， ZHANG Ya - ree 1 Ov e r v i e w o f t e s t me t h od s o f c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n i n c o n c r e t e J C o n c r e t e 2 0 0 9 ( 2 ) ： 3 8 4 1 ， 4 6 ( i n Ch i n e s e ) 7 史才军， 元 强 ， 邓 德华 ， 等 混凝 土 中氯 离子 迁移 特征 的表 征 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 2 2 5 3 0 S HI C a i- j u n ， YUAN Q i a n g ， DE NG De h u a ， e t a 1 Te s t me t h o d f o r t h e t r a n s p o r t o f c h l o r id e i o n i n c o n