不同作用下混凝土加速钙溶蚀的数值模拟.pdf

DOI:1016616/jcnki11-4446/TV20230912不同作用下混凝土加速钙溶蚀的数值模拟李蒙蒙(安徽省茨淮新河工程管理局,安徽 蚌埠 233000)【摘 要】服役于酸性环境中的混凝土钙溶蚀将会加速,影响结构的耐久性,危害结构安全。为准确模拟酸性环境中固相钙的溶解和钙离子的迁移,本文考虑了 H+的影响,提出了变化加速扩散系数的概念,并依据酸性腐蚀溶液中 H+浓度和孔隙液中钙离子浓度,建立了变化加速扩散系数。同时改变边界条件,以模拟不同作用对于钙溶蚀的影响。依据建立的钙溶蚀模型,模拟了混凝土在 pH=4 的酸性条件中和不同作用下的加速钙溶蚀。模拟的耗酸量与实测耗酸量相吻合,腐蚀 1000h 后,模拟误差基本小于 20%。计算得到的孔隙液中钙离子分布与实际情况相一致。【关键词】钙溶蚀;数值模拟;作用方式;加速扩散系数中图分类号:TU528.01 文献标志码:A 文章编号:2097-0528(2023)09-073-05Numerical simulation of accelerated calcium dissolution of concreteunder different effectsLI Mengmeng(Anhui New Cihuai River Management Bureau,Bengbu 233000,China)收稿日期:2023-01-06作者简介:李蒙蒙(1990),男,本科,工程师,主要从事大(2)型水闸运行管理工作。Abstract:Concrete calcium leaching in acidic environments will be accelerated,affecting the durability of structures andjeopardizing their safety.To accurately simulate the dissolution of solid-phase calcium and the migration of calcium ions inacidic environments,this paper considers the influencing factor of H+and proposes the concept of a variable acceleratingdiffusion coefficient.Based on the concentrations of H+in the acidic corrosion solution and calcium ions in the poresolution,a variable accelerating diffusion coefficient is established.Additionally,changes in boundary conditions areapplied to simulate the effects of different actions on calcium leaching.Using the established calcium leaching model,accelerated calcium leaching of concrete under pH 4 acidic conditions and various actions is simulated.The simulated acidconsumption is in good agreement with the measured acid consumption,with the simulation error generally below 20%after1000 hours of corrosion.The distribution of calcium ions in the pore solution calculated through the simulation is consistentwith the actual situation.Keywords:calcium dissolution;numerical simulation;mode of action;accelerated diffusion coefficient 混凝土常服役于复杂的环境中,因此对其结构耐久性有较高要求。其中酸雨、工业废水等含有硫酸根离子,将会形成酸性环境侵蚀混凝土,导致混凝土中钙的大量流失,使结构承载能力降低,危害结构安全。研究表明,混凝土材料被侵蚀的速率与硫酸的浓度和作用方式有关。徐应莉1的研究表明,酸的强度将极大37影响混凝土材料的侵蚀速率,酸性越强,腐蚀越快。张彩虹2的研究表明,硫酸侵蚀时的作用方式对钙溶蚀速率也有较大的影响,对表面进行洗刷将会增加腐蚀速率。除去含酸性的 H+,覃珊珊3的研究表明,硫酸根离子浓度对混凝土腐蚀也存在影响,但是相较于酸性离子,增加硫酸根离子浓度对于腐蚀影响并不显著。为保证混凝土结构在酸性环境下的安全稳定运行,需要对混凝土中的固相钙含量和结构耐久性进行有效预测。由于常规的腐蚀试验需要耗费较长的时间,因此数值模拟成为有效的手段。Grard 等4依据Bener5的试验结果,提出了固相钙与液相钙之间的固液平衡方程,为混凝土中离子的迁移和扩散研究提供了理论基础6。王海龙等7和徐应莉1据此研究了硝酸对混凝土的溶蚀,模拟预测结果与试验结果相吻合。但遗憾的是研究过程中并未详细分析酸性环境对于混凝土的影响,仅提出加速系数的概念以吻合试验结果。张彩虹等8通过修正模拟边界,模拟酸性环境中,不同作用方式对于钙溶蚀的影响,计算结果与试验结果相吻合。但是由于实际试验过程中边界并未发生移动,而模拟过程中边界却需要不断调整,因此适用性受到限制。本文在前人研究的基础上,更加深入地分析酸性条件下水泥基材料中的钙溶蚀。提出了随酸性强度和钙离子浓度变化的加速系数,并且进一步明确了不同作用方式对钙溶蚀模拟的影响。建立适用于酸性条件下,不同作用方式钙溶蚀的数值模型,并通过前人的试验结果对模型进行分析验证。1 计算模型混凝土在溶液中将会发生钙溶蚀,固相钙被溶解,并通过混凝土孔隙运输至溶液中。相应的离子迁移扩散方程为9t(C)+Cst=xDC()x初始条件:C(0,x)|=Csatu边界条件:DCt=x(C-C0)|(1)式中:为混凝土孔隙率;C 为混凝土孔隙液中钙离子浓度,mol/m3;Cs为混凝土中固相钙的浓度,mol/m3;Csatu为孔隙液中饱和钙离子浓度,取值为 22 86,mol/m3;C0为外部溶液中钙离子浓度,mol/m3;t 为腐蚀时间,s;D 为孔隙液中钙离子的扩散系数,m2/s;k 为界面处钙离子的传输速度,m/s。Grard 等4的研究表明,在钙溶蚀过程中固相钙浓度和液相钙浓度之间保持热力学平衡,关系式为Cs=CCSH(C/Csatu)13-2(C/x1)3+3(C/x1)2 0 C x1CCSH(C/Csatu)13 x1 C x2CCSH(C/Csatu)13+CCH(C-x2)3(Csatu-x2)-3 x2 C Csatu(2)式中:CCSH为固相钙中水化硅酸钙(CSH)凝胶的浓度,mol/m3;CCH为固相钙中氢氧化钙Ca(OH)2的浓度;x1为混凝土中 CSH 凝胶迅速转化为 SiO2硅胶时孔隙液中钙离子的浓度,取 2 0mol/m3 4;x2为固相钙中氢氧化钙Ca(OH)2完全溶解且 CSH凝胶开始转化为 SiO2硅胶时孔隙液中钙离子的浓度,取 19 2mol/m3 4。混凝土中固相钙被溶蚀后,内部的孔隙结构将会发生变化。由于 CSH 凝胶结构复杂,为简化孔隙率计算,本文假定相同的 Ca(OH)2和 CSH 分解后对混凝土孔隙率影响相同。采用式(3)计算考虑固相钙溶蚀的孔隙率。=0+(1-0)CCH+CCSH-CsCCH+CCSHmw+mcmw+mc+ms(3)式中:0为混凝土初始孔隙率;mw为混凝土配合比中水的质量;mc为混凝土配合比中水泥的质量;ms为混凝土配合比中沙子和石子的质量。扩散系数 D 可用孔隙率 表示10,公式为D=e(9 95-29 08)(4)当混凝土处于酸性环境中时,溶液中的 H+将会侵47入混凝土中,与混凝土孔隙液中的 OH-和固相的 Ca(OH)2发生反应。由于为酸碱中和反应,因此反应速率快。这导致了混凝土表面的 OH-含量迅速降低,固相的 Ca(OH)2加速溶解,钙离子迁移扩散的速率将会加快。为简化这一化学反应过程,参考浸水环境下混凝土力学性能退化的试验与数值模拟研究1文中的处理方式,采用加速系数进行表达。由于 H+大多数在结构表面附近区域被消耗,难以扩散到试件内部,因此文献1中设置统一的加速系数并不合适。本文设置的加速系数与 H+浓度和固相钙浓度有关,固相钙含量越少的区域钙离子的扩散速率越快,采用如下的表达式:FD=1-CsCCH+C()CSHfm+1(5)式中:FD为离子扩散的加速系数;fm为设定的最高加速系数,依据 H+浓度进行确定。不同的硫酸侵蚀情况,例如张彩虹等8提及的不同作用条件,需要更改边界条件以模拟不同的腐蚀情况。本文针对不同的腐蚀作用,采用如下的边界条件。作用 1:对于腐蚀过程中保持溶液 pH 值不变,不更换外部腐蚀溶液的情况,需要考虑到外部溶液中钙离子浓度的不断增加,即 C0的数值在不断变化。其浓度等于混凝土中流失的固相钙和钙离子除以溶液的体积 Vsolu。C0采用下式计算:C0=CCH+CCSH+Csatu-Cs-CVsolu(6)作用 2:对于腐蚀过程中保持溶液 pH 值不变,同时外部腐蚀溶液不断更换的情况,模拟过程中仅需要将 C0=0 即可。作用 3:对于腐蚀过程中保持溶液 pH 值不变,同时对腐蚀表面进行冲刷的情况,毫无疑问冲刷将会使结构表面孔隙率增加,界面处的钙离子传输速率更快。模拟时设置冲刷系数 fr,以考虑冲刷作用。其主要作用于混凝土孔隙以及混凝土表面。模拟时采用如下表达式:=0+fr(1-0)CCH+CCSH-CsCCH+CCSHmw+mcmw+mc+mskr=frk(7)式中:kr为考虑了冲刷后,界面处钙离子的传输速度,m/s。借助 COMSOL 中的系数形式偏微分方程模块,可以实现式(7)的有限元求解,从而得到混凝土在酸性环境中固相钙的溶解情况和孔隙中钙离子的分布。2 数值算例及验证本文采用张彩虹等8测得的试验数据进行模拟验证。试验中测量的数据为溶液的耗酸量,依据化学当量的关系可以转化为混凝土中固相钙和孔隙中钙离子的损失。参数设置与其相同,见表 1。表 1 混凝土计算参数参 数单 位数 值Csatumol/m322 86CCHmol/m32121 5CCSHmol/m33626 1km/s4 810-800 14 参考徐应莉1的研究,对于 pH=4 的硫酸溶液,加速系数 fm取值为 18。冲刷系数 fr取值为 1 12。计算采用的模型和网格剖分见图 1。图 1 计算模型和网格剖分57李蒙蒙/不同作用下混凝土加速钙溶蚀的数值模拟 依据前文提出的计算模型,pH=4 时不同作用方式下耗酸量的试验与模拟结果见图 2 图 4。从图中可以看出,在 pH=4 时试验和模拟的耗酸量基本一致,均呈现出近似直线增长的规律。图 2 pH=4 时作用 1 下试验与模拟结果图 3 pH=4 时作用 2 下试验与模拟结果图 4 pH=4 时作用 3 下试验与模拟结果为方便比较模拟值 Mc(ti)与试验值 Me(ti)的误差,采用如下的相对误差 表达式:=Me(ti)-Mc(ti)/Me(ti)(8)图 5 为模拟与试验的相对误差,从图中可以看出0 500h 时计算出的误差相对较大。这是由于腐蚀开始时耗酸量较少,Me(ti)数值较小,因此相对误差较大。但是从图2 图4 中可以看出,模拟出的绝对误差较小。随着腐蚀时间的增加,相对误差逐渐降低,当腐蚀时间超过 1000h 时,模拟误差基本小于 20%。图 5 模拟相对误差图 6 腐蚀 2000h 时混凝土中钙离子浓度分布图 6 为模拟出的腐蚀 2000h 时,混凝土内部 Ca2+的浓度分布。从图 6 中可以看出,在作用 1 3 下,腐蚀 2000h 后混凝土的腐蚀深度均小于 2 5mm,与张彩虹等8的模拟结果相同。作用 1 下由于不更换溶液,外部溶液中的钙离子浓度在不断增加,导致混凝土中的钙离子浓度高。作用 2 和作用 3 下,由于更换了腐67蚀溶液,外部溶液中的钙离子浓度低,因此混凝土中的钙离子浓度相对较低。同时作用 3 下对混凝土表面进行了冲刷,混凝土内部孔隙增大,固相钙的腐蚀和液相钙扩散更快,因此钙离子浓度相对较低。模拟结果与实际情况相互吻合。3 结 语针对混凝土在酸性环境中固相钙加速溶解和钙离子迁移扩散的模拟问题,本文在前人研究的基础上,考虑 H+对腐蚀的影响,提出了变化加速扩散系数的概念。通过腐蚀溶液的 H+浓度和孔隙中钙离子浓度,提出了变化加速扩散系数。同时通过改变边界条件,模拟更换腐蚀溶液对于钙溶蚀的影响。通过设置冲刷系数,模拟冲刷对于钙溶蚀的影响。建立简单的二维模型,模拟了混凝土在 pH=4时,在不同作用下固相钙的溶解和钙离子的扩散。模拟出的耗酸量与试验测得的耗酸量相吻合,除去腐蚀开始的 500h,之后的模拟误差不超过 20%。且随着腐蚀时间的延长,模拟的误差呈现出减小的趋势。模拟出的钙离子浓度分布与实际情况相吻合。研究为酸性条件下,混凝土结构耐久性分析与预测提供了参考。参考文献1 徐应莉.浸水环境下混凝土力学性能退化的试验与数值模拟研究D.常州:常州大学,2021.2 张彩虹.硫酸腐蚀混凝土材料试验研究及数值模拟D.昆明:昆明理工大学,2021.3 覃珊珊.硫酸盐侵蚀混凝土劣化模型及耐久性失效研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.4 GRARD B,LE BELLEGO C,BERNARD O.Simplified mod-elling of calcium leaching of concrete in various environmentsJ.Materials and structures,2002,35(10):632-640.5 BERNER U.Evolution of pore water chemistry during degra-dation of cement in a radioactive waste repository environmentJ.Waste management,1992,12(2-3):201-219.6 蒋俊.考虑多因素的硫酸钠侵蚀混凝土数值预测模型研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.7 王海龙,郭崇波,邹道勤,等.侵蚀性水作用下混凝土的钙溶蚀模型J.水利水电科技进展,2018,38(3):26-31.8 张彩虹,宋志刚,毛敏,等.水泥砂浆受硫酸溶蚀的试验研究和数值模拟J.自然灾害学报,2021,30(3):112-121.9 MAINGUY M,TOGNAZZI C,TORRENTI J-M,et al.Modellingof leaching in pure cement paste and mortar J.Cement andconcrete research,2000,30(1):83-90.10 马强,左晓宝,汤玉娟.环境水侵蚀下水泥净浆钙溶蚀的模拟与验证J.水利水运工程学报,2017(3):107-115.(上接第 72 页)11 贾静恩,张彬.玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸试验研究J.复合材料科学与工程,2022(10):63-69.12 JALASUTRAM S,SAHOO D R,MATSAGAR V.Experimentalinvestigation of the mechanical properties of basalt fiber-reinforced concrete J.Structural concrete,2017.18(2):292-302.13 王振山,宗梦媛,赵凯,等.硫酸钠环境下玄武岩纤维混凝土耐腐蚀性能及力学性能试验研究J.建筑结构,2020,50(20):118-123,37.14 魏康,李犇,孙峤.玄武岩纤维改善再生混凝土抗氯离子渗透性能研究J.硅酸盐通报,2022,41(5):1656-1662.15 李智睿,徐存东,李振,等.冻融循环下玄武岩纤维混凝土的力学性能研究J.石河子大学学报(自然科学版),2022,40(1):55-60.16 赵燕茹,高健,王磊,等.单面冻融下玄武岩纤维混凝土抗冻性能研究J.混凝土,2020,366(4):70-73.17 杨益,宁翠萍,程瑞芳,等.掺钢和玄武岩纤维混凝土的冻融循环试验研究J.水资源与水工程学报,2017,28(4):182-186,192.18 李德超,赵晨曦.玄武岩纤维混凝土基本力学性能研究J.公路,2020,65(6):237-241.19 DENG X,GAO X,WANG R,et al.Investigation of micros-tructural damage in air-entrained recycled concrete under afreeze-thaw environment J.Constructionandbuildingmaterials,2020(1):121219.20 LIU J,OU G F,QIU Q W,et al.Chloride transport and micro-structure of concrete with/without fly ash under atmosphericchloride conditionJ.Construction and building materials,2017:493-501.21 张广泰,耿天娇,鲁海波,等.冻融循环下沙漠砂纤维混凝土损伤模型研究J.硅酸盐通报,2021,40(7):2225-2231.22 武海荣,金伟良,延永东,等.混凝土冻融环境区划与抗冻性寿命预测J.浙江大学学报(工学版),2012,46(4):650-657.77李蒙蒙/不同作用下混凝土加速钙溶蚀的数值模拟