氯离子在混凝土中的侵蚀模型及验证.pdf

2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 1 8 氯离子在混凝土中的侵蚀模型及验证 薛鹏飞 ，毛达岭 z ，项贻强 。 ，金立兵 ( 1 河南工业大学 土建学院，河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ；2 ， 东科学技术职业学院 建筑1 ： 程与艺术设计学院，广东 广州 5 1 9 0 9 0 3 浙江大学 建工学院 ，浙江 杭州 3 】 0 0 2 7 ) 摘要： 基于 Ma a g e 模型， 通过参数定义对 F i c k 定律的不合理假定进行修正 ， 推导了氯离子在混凝土中侵蚀的多因素修正模型， 综合考 虑了氯离子扩散系数的时随效应、 混凝土的氯离子结合能力和混凝土自 身缺陷对侵蚀过程的影响。 根据对大量数据的分析试算， 给出了模 型中参数的取值， 并借助已有的试验数据对建立的扩散模型进行了验证， 取得了较为满意的验证效果。 关键词 ： 混凝土 ；氯离子 ；扩散模 型；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 0 ) 0 7 0 0 5 4 0 3 Er os i on modeI o f ch l or i d e i on i n c onc r e t e a nd i t s ve r i f i c a t i on X UE P e n g- f e i 1 ,3 MA O Da l i n g2 , XI AN G Yi q J a n g3 , J I N Li b i n g ( 1 De p a r t me n t o f C i v i i E n g i n e e r i n g ， H e n a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 5 2 ， C h i n a ； 2 Gu a n g d o n g I n s t i t u t e o f Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y， T h e Ar c h i t e c tur a l En g i n e e r i n g a n d Ar t De s i g ni n g Co l l e g e， Gu a n g z h o u 51 9 0 9 0， Ch i n a 3 D e p a rt me n t o f Civ i l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n gUn i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： A n e w c h l o r i d e d i ff us i o n mo d e l i n c o n c r e t e wa s f o r mu l a t e d ba s e d o n M a a g e m o d e l ， i n wh i c h t h e i r r a t i o n a l h y p o t h e s i s o f F i c k S L a w we r e c o r r e c t e d a n d t h e f a c t o r s o ft i m e d e p e nd e n c e o fc h l o r i d e d i ffu s i o n c o e ffi c i e nt ， c h l o r i d e b i n d i n g c a p a c i t y o fc o n c r e t e ， a n d s e l f - d e f e c t s o f c o n c r e t e we re t a k e n i n t o a c c o u nt Be s i d e s ， t h e pa r a me t e r s v a l ue i n t h e mo de l wa s g i v e n f o r p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n a c c o r d i n g t o p i l o t c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s o fma s s da t a T h e mo d e l wa s v e r i fi e d wi th l o n g t e rm fie l d d a t a tha t a r e a v a i l a b l e i n p u bl i s h e d l i t e r a tur e s Th e p r a c t i c a l da t a a g r e e s wi th the c a l c u l ate d r e s u l t s v e r y we l 1 K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； c h l o r i d e i o n ； d i ffu s i o n mo d e l ； d u r a b i l i t y 0 引 言 氯离子在混凝土中侵蚀以扩散行为为主， 多采用基于 F i c k 扩散定律的计算模型 ， 但由于F i c k 定律是处理匀质体扩散的经 典方程 ， 为了运用到混凝土这种非匀质材料中， 引入了一些与 实际情况不相符的假定 ， 为解决此问题 ， 许多学者尝试建立基 于 F i c k定律的修正模型， 但此类模型或者考虑影响因素比较单 一 ，未能完全摆脱理想假定的限制f l _ 2 ； 或者虽考虑多种因素影 响， 但往往形式复杂， 需确定的参数众多 ， 且未给出参数的取 值， 其实用性仍有待探讨 。 针对已有模型的缺陷， 通过参数定义对 F i c k定律的理想假 定进行修正， 建立了基于 F i c k定律的多因素修正模型， 根据对 大量数据的分析试算， 给出了模型中参数的取值 ， 使其具备 了 一 定的实用价值。为说明模型的可靠性， 结合部分文献数据对该 模型进行了验证， 取得了较满意的效果。 1 氯离子在混凝土中的扩散模型 1 1 基准模型F i c k扩散定律 1 1 1 基本假定 F i c k定律采用了以下的理想化假定 ： 氯离子扩散系数是 一 个常数， 不随时间变化； 氯离子扩散时不与混凝土结合 ； 混凝土是半无限均匀介质。 1 1 2 基于 F i c k扩散定律的基准模型 根据上述的基本假定 ， F i c k 扩散定律可以表示为 ： 一 D ( 1 ) a f a a 式中： 混凝土深度； 扩散系数 ； C _ 处孔隙溶液的氯离子浓度 ； 时间。 C o l l e p a r d i 引入边界条件 c x ( t = o ) = c o ， C x ( x - O ) = C 。 ， 首先给 出了非稳态条件下 F i c k定律的解析解： e= C 0 + ( C c 0 ) e 咖 一 一 ( 2 ) 、 4 D 式( 2 ) 至今仍为大部分学者所沿用， 式中： e 咖 ( ) 为误差余函 rf c 卜 1 2 Ma a g e 模 型 直到 1 9 9 2年左右， 北欧国家才认识到， 氯离子在混凝土中 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 3 1 0 基金项目：郑州市科技攻关项 目“ 大气条件下 昆 凝土结构耐久性寿命评估的相似性方法” ( 0 9 1 0 S G Y N1 2 3 0 0 1 ) 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 散系数不是一成不变的， 而是随时问衰减。MMa a g e E 根据 大量试验和厄勒海峡大桥的测试数据给出了时间对扩散系数 的影响 ： D ( t ) 一f t ( 3 ) 式中： D( t ) 随时间变化的氯离子扩散系数； 混凝 土水化龄期 ； ， J 一 龄期 时测定的基准扩散系数， 指数 W I, 决定了扩散 系数 的衰减速度 。 由于考虑扩散系数的时随特性， 式( 2 ) 不再适用， 若扩散系 数按式( 3 ) 的指数规律衰减， 可由式( 1 ) 直接导出解析解 ： C c ( c 一 C o ) e P 一 7 一 ( ) 、 , 7 - 7 m 一 L f J 4 1 - 式( 4 ) 即为经典的Ma a g e 模型， 目前在国内外得到了极为 广 泛 的应用。 1 3对 Ma a g e 模 型 的修 正 Ma a g e 模型实际上是在 F i c k扩散定律的基础上对假定 1 进行 r修正， 对后两条基本假定仍认为足成立的。但随着研究 工作的深人， 人们逐步认识到： 在扩散过程中， 部分氯离子将被 混凝土结合f6 1 ， 而t 昆 凝土 自身存在微裂缝等各种缺陷， 也明显与 均匀介质的假定不符。 以 Ma a g e 模型为基础 ， 通过参数定义 对 F i c k 定律的其余 两条假定进行修正： ( 1 ) 考虑混凝土的氯离子结合能力： 氯离子可分为自由氯 离子和结合氯离子两部分， 其中只有 自由氯离子能够导致钢筋 锈蚀。定义变量 表示混凝土氯离子结合能力的参数： R = c f c ( 5 ) 式中： c 广自由氯离子浓度； c 广阻总的氯离子浓度。 则 F i c k扩散定律( 式( 1 ) ) 可改写为： 一 D ( ) 一 ( 6 ) a f a a 将式( 5 ) 代入式( 6 ) 可得： D = R D( t ) ， 式中： 为考虑混凝土 氯离子结合能力的扩散系数。 ( 2 ) 考虑混凝土的自身缺陷： 氯离子在混凝土这种带有缺 陷的介质中的扩散系数可用等效扩散系数 D K D ( ) 表示， 式中： K为考虑混凝土自身缺陷的氯离子扩散性能的劣化效应系数 。 综上， 考虑扩散系数的时随衰减效应、 混凝土的氯离子结合能 力和 自身缺陷的修 正模型可写为： C C 0 + ( C 。 一 C o ) e 毋 一 一 ( 7 ) 、 4 ( 1 一 m) - 1D f t 式中： D ( - - - 考虑氯离子的时随衰减效应。 混凝土的氯离子结合能力及其 自身缺陷影响的有效扩散 系数 ： D a = R K D ( ) = R K D o= ( ) ( 8 ) 式( 7 ) 和式( 8 ) 即为本文采用的计算模型， 该模型针对 F i c k 定律的三条理想化假定进行修正， 通过参数定义， 将混凝土的 氯离 子结合能力及其 自身缺陷的影响均归结为对扩散系数的 折减或放大上， 参数的物理意义明确 ， 表现形式简洁 ， 且与获得 广泛认可的Ma a g e 模型在形式上保持一致 ， 当取 R = K = I 时， 即 可退化成为Ma a g e 模型。 2 模型中的参数取值 式( 7 ) 和式( 8 ) 确定的扩散模型中有大量参数需要确定， 这 其中基准扩散系数 需要通过专门的试验获得，有关混凝土表 面氯离子浓度 C 、 混凝土内部初始氯离子浓度 c 0 和氯离子扩散 系数的衰减指数 m的取值 ， 国内外学者基于大量试验和现场调 查已做 了深入的研究 ， 可参看相关的专著和文献 7 8 ， 此处不 再赘述， 以下重点介绍参数 R和 的取值。 2 1 混凝土的氯离子结合 能力 系数 R 昆 凝土结合氯离子的性能受到许多因素的影响， 如水泥品 种与用量、 混合材料品种与掺量、 外加剂等。南京水科院 7 1 和日 本港湾研究所嘲 的大量试验室试验和现场检测结果均表明， 不 论是对普通混凝土 O P C或是掺加了粉煤灰、 矿渣等的高性能混 凝土 H P C， C t 与 C 之间均存在较明显的比例关系， R = 0 7 5 - - 0 8 9 ， 可根据实际情况选取合适的 R值。 2 2 混凝土的材料劣化效应 系数 K 的取值主要与混凝土水胶比、 掺合料 、 暴露龄期、 暴露环 境等有关。水胶比越小 ， 混凝土的干燥收缩越明显， 劣化效应就 越显著； 暴露龄期越长、 暴露环境越恶劣， 劣化效应越明显； 粉 煤灰或矿渣等活性掺合料的掺入可显著降低混凝土的劣化效 应。实际操作中可遵循下列原则： 2 2 1 普通混凝土( O P C) 普通混凝土由于其高水胶 比、 低密实性 、 低强度的特点， 在后期运营荷载的作用下 ，其劣化效应将愈加明显。因此， 对 O P C而言， 对 值影响最大的是混凝土的暴露龄期 ， 暴露龄 期越长， 则劣化效应越明显， 相应的 K值就越大。具体的取值 可参见表 1 。 表 1 OP G中 f ( 的取值 暴 露龄期 t 年 K的取值 t l焦 1 年 5，正 1 2 3 6 6 1 0大气区 &盐雾区 7 1 2潮汐 区 &浪溅区 2 2 2 高性能混凝土( H P c ) HP C多具有低水胶比， 这使得其与 O P C相比， 早期劣化效 应 ( 主要 表现为混凝 土 内部微 裂缝 ) 更加 明显 ； 但 同时 H P C多 掺加了粉煤灰或硅灰等活性掺合料， 可以有效地降低其劣化效 应，这就造成了其劣化效应系数 K的取值相对 比较复杂。与 O P C相比， 由于 H P C所具有的高强度 、 高密实度等特性， 在后 期运 营荷 载作用下 ， 劣化效应并 不会 迅速加剧 。因此 ， 相对而 言， H P C的劣化效应受暴露龄期的影响并不大，其主要的影响 因素是暴露环境， 具体的取值可参见表 2 。 表 2 HP G中 K的取值 暴露环境 的取值 大气区 盐雾 区 潮汐区 & 浪溅区 l 3 6 l 0 4 8 2 2 3 对表 1 和表 2的说明 ( 1 ) 由于水下区缺乏氧气供应， 不具备发生电化学反应的 条件 ， 钢筋锈蚀发展缓慢或不锈蚀( 这已被大量实际工程调查 所证实) ， 因此表 】 和表 2中均未考虑水下区的暴露环境。 ( 2 ) 若混凝土表面已出现明显的开裂， 氯离子的扩散将会 55 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 显著加剧， 不论是 O P C或是 H P C， 此时可直接取 K 1 0 。 表 l 、 2是根据大量现场暴露试验和实际检测结果 ” ， 利用 本计算模型试算 K的取值 ， 并对计算结果进行统计分析后做出 的， 可作为实际操作中的参考。从表中可以看出， K的取值具有 一 定的离散性， 进一步的完善需要大量的数据积累。 3模 型 验 证 T h o ma s 等f t 1 9 8 7年秋在英格兰港口城市福克斯通滨海地 段浪溅区放置了 1 8块规格为 1 0 mx 0 5 mx 0 3 m的钢筋混凝 土试块， 共有 3组不同配合比， 分别为普通波特兰水泥混凝土、 掺加 3 0 粉煤灰的混凝土和掺加 7 0 矿渣的混凝土， 试验周期 长达 8 年。理论预测时， 各参数的取值见表 3 。 表 3 各参数取值汇总 注： 2 8 d的基准扩散系数按 AS T M C 6 1 8标准 ， 由电迁试验获得 ； c 为现场测定值， 用混凝土的质量分数表示； 尺的取值参见小节2 1 ； 衰减指数 m的取值可参见文献 7 8 。 图 l 3比较了 3种不同配合比的钢筋混凝土试块在浪溅 区暴露不同时间的 自由氯离子浓度实测值和本扩散模型的预 测值。从图中可以看出， 除个别数据外， 氯离子浓度的预测值与 实测值是比较接近的( 普通混凝土表面 5 mm处个别结果存在较 大偏差， 根据原始文献的说明， 可以认为是由取样误差引起的) ， 对于掺有粉煤灰和矿渣的HP C， 其预测效果要好于OP C 。考虑 到可能存在的测试误差 ， 验证结果是令人满意的。 逻 诖 鲢 褪 佃 皿 O 6 图 1 0 6 萎 越 褪 埔 衄 皿 O 距暴 露表 面的距离 mm 普通 混凝土 中氯离子浓度预测值与实测值 实测值 模型计算值 距 暴 露 表 回 的 距 离 mm 图 2粉煤灰混凝土 中氯离子浓度预测值 与实测值 4结论 针对氯盐侵蚀环境 ， 基于F i c k 定律， 通过对不合理假定的 修正， 建立了多因素作用下的氯离子扩散模型。模型中参数的 物理意义明确 ， 且与获得广泛认可的Ma a g e模型在形式上保持 一 致， 二者可相互导出； 通过广泛的文献调查和试算， 给出了模 型中各参数的取值， 使其具备了一定的实用价值； 利用该模型， 结合相关文献中的实测数据对该模型进行了验证， 取得了较为 5 6 蓬 褪 膈 -母 虹 O 6 0 一 实测值 模型计算值 f = f f = f = - - 置 差叠 1 O 2 0 3 O 4 0 5 0 距 暴露表 面的距 离 ra m 图 3大掺量 矿渣混凝土 中氯离子浓度预 测值与 实测值 满意的结果 。 参考文献 ： 1 P R E Z Z I M， GE YS K E N S P， MO N T ER I R O P J M R e l i a b i l i t y a p p r o a c h t o s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e e x p o s e d t o ma ri n e e n v i r o n me n t s 【J J AC I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 5 4 4 5 5 2 【 2 MAN G A T 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 ri 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 ri al s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 3 8 3 4 6 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 4 洪乃丰 混凝土中钢筋腐蚀与防护技术( 3 ) 氯盐与钢筋锈蚀破 坏 J 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 6 0 6 3 5 】MA AG E M S e r v i c e l i f e mo d e l f o r c o n c r e t e s t rne t u r e s e x p o s e d t o m a f i n e e n v i r o n m e n t - I n i t i a t i o n p e ri o d j AC I Ma t e ri a l J o u rna l ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 6 0 2 -6 0 8 6 MO H AMME D T U， HA MA DA I t R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r e e c h l o ri d e a n d t o t a l c h l o ri d e c o n t e n t s i n c o n c r e t 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 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 4 8 7 1 4 9 0 7 刘秉京 昆 凝土结构耐久性设计 M 】 E 京： 人民交通出版社， 2 0 0 7 ( 2 ) 8 】 赵筠 钢筋混凝土结构的工作寿命设计一针对氯盐污染环境 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 3 - 2 1 9 MAN G A T P S ， MO L L O Y B T P r e d i c t i o n o f l o n g t e rm c h l o ri 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 t r u c t u r e R e s e a r c h T e s t ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 6 ) ： 3 3 8 -3 4 6 1 0 D u NA S z E G I L Hi g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e i n t h e c o n f e d e r a t i o n b r i d g e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 4 ) ： 6 6 6 8 1 1 MA NG A T P s ， MOL L O Y B T P r e d i c t i o n o f f r e e c h l o ri 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 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 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 9 2 8 7 【 1 2 T HO MA S M D A， B A MF O R T H P B Mo d e l i n g c h l o ri d e d i f f u s i o n i n c o n c r e t e ： E f f e c t of fl y a s h a n d s l a g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 4 8 7 4 9 5 作者简介 单位地址 联 系电话 薛鹏飞( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博士， 讲师， 主要从事桥梁健康系统及 耐久性方面的研究。 河南省郑州市嵩山南路 1 4 0 号 河南工业大学土木建筑学 院 ( 4 5 0 0 5 2 ) 0 3 7 1 6 7 7 8 9 7 5 2 年年年年年年 = = = = = 三 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m