混凝土內(nèi)修正的氯離子運(yùn)移模型及耐久性分析

高子瑞,徐永福,李淑娥,陳志明

(1. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海　200240; 2. 南通市公路管理處,江蘇 南通　226000)

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混凝土內(nèi)修正的氯離子運(yùn)移模型及耐久性分析

高子瑞1,徐永福1,李淑娥2,陳志明2

(1. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海200240; 2. 南通市公路管理處,江蘇 南通226000)

基于Fick第二定律,建立了混凝土內(nèi)綜合考慮擴(kuò)散、電場遷移與結(jié)合作用的氯離子運(yùn)移耦合模型,并通過已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。以南通鹽漬土環(huán)境為例,運(yùn)用ComsolMultiphysics軟件分析鹽漬土內(nèi)混凝土中氯離子的運(yùn)移機(jī)制以及混凝土內(nèi)氯離子隨時間和空間的分布,研究不同強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥混凝土和粉煤灰混凝土抗氯鹽侵蝕的能力。結(jié)果表明:鹽漬土腐蝕環(huán)境下,普通硅酸鹽水泥混凝土結(jié)構(gòu)僅靠提高混凝土強(qiáng)度和保護(hù)層厚度不能滿足高耐久性要求,采用粉煤灰混凝土能延長結(jié)構(gòu)使用年限;在保證使用年限為100a的前提下,建議南通鹽漬土環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用粉煤灰混凝土,強(qiáng)度等級為C30、C40、C50和C60的混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度分別為55mm、50mm、45mm和40mm。

氯離子運(yùn)移模型;鹽漬土;混凝土腐蝕;混凝土耐久性;ComsolMultiphysics軟件;普通硅酸鹽水泥混凝土;粉煤灰混凝土

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物劣化破壞的主要原因是腐蝕。海洋工程中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久年限普遍小于20a,天津?yàn)I海鹽漬土內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)物一般使用7～8a便會出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕,鹽湖鹽漬土中使用年限則一般不足5a[1-2]。與海洋環(huán)境相比,鹽漬土區(qū)域地下水中的侵蝕性化學(xué)成分含量較高,對鋼筋混凝土的腐蝕更為劇烈[3]。目前,鹽漬土環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子腐蝕研究相對較少,且研究多是基于短時間的室內(nèi)試驗(yàn),沒有綜合考慮離子運(yùn)移過程的時間依賴關(guān)系以及離子遷移受到的電遷移場作用和結(jié)合作用等。

張俊芝等[4]和楊躍等[5]利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得到了普通硅酸鹽水泥混凝土和粉煤灰混凝土內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系;張巨松等[6]研究了混凝土內(nèi)粉煤灰和礦粉摻量對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。上述研究是基于混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究,是短時間室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果,沒有考慮離子遷移系數(shù)隨時間的衰減變化,不能用于分析混凝土抗氯離子的侵蝕能力。Wang等[7]和Samson等[8]考慮了多重離子遷移的電勢場影響,Boddy等[9]研究了混凝土內(nèi)氯離子的多種遷移方式及影響因素,以上方法是基于理想狀態(tài)的擴(kuò)散,沒有考慮擴(kuò)散的時間和溫度依賴關(guān)系,也沒有綜合考慮離子的運(yùn)移機(jī)制,不適合工程應(yīng)用。喬頔等[1]分析了混凝土內(nèi)氯離子的不同運(yùn)移機(jī)制對離子遷移的影響,但研究僅限于普通硅酸鹽水泥混凝土。

筆者通過研究混凝土內(nèi)氯離子運(yùn)移機(jī)制,在Fick第二定律基礎(chǔ)上考慮等效擴(kuò)散系數(shù),建立綜合擴(kuò)散作用、電勢場作用與結(jié)合作用的耦合模型,并利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。在南通鹽漬土環(huán)境下,通過ComsolMultiphysics軟件計算了氯離子在不同強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥混凝土和粉煤灰混凝土中隨時間和空間的分布;基于結(jié)構(gòu)物100a的使用壽命,探討了南通鹽漬土中混凝土種類、強(qiáng)度等級以及保護(hù)層厚度對混凝土抗氯離子侵蝕的影響。

1　氯離子的運(yùn)移機(jī)制

1.1混凝土內(nèi)氯離子運(yùn)移基本方程

影響混凝土內(nèi)氯離子運(yùn)移的因素主要有:離子濃度差引起的擴(kuò)散、混凝土固相對氯離子的結(jié)合、毛細(xì)水壓力差引起的滲流以及電勢場作用下的電遷移[10]。由于滲流可以讓毛細(xì)水壓力差很快達(dá)到平衡,故在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)可以忽略毛細(xì)作用的影響。氯離子運(yùn)移的基本方程為

(1)

式中:C——混凝土內(nèi)t 時刻、x深度處的氯離子濃度;D——氯離子等效擴(kuò)散系數(shù)。

式(1)能較好地描述氯離子的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程,但該方程未考慮混凝土的結(jié)構(gòu)形式、材料性質(zhì)以及周邊環(huán)境,因而得到的結(jié)果不可靠;在式(1)基礎(chǔ)上,考慮采用等效擴(kuò)散系數(shù),Boddy等[9]提出了離子的擴(kuò)散系數(shù)為

(2)

式中:Dref——溫度Tref、時刻tref的擴(kuò)散系數(shù);m——擴(kuò)散系數(shù)的時間衰減系數(shù),普通硅酸鹽水泥混凝土取0.34[11],粉煤灰混凝土取0.64[2];U——擴(kuò)散過程活化能;T——絕對溫度;R——?dú)怏w常數(shù)。

1.2綜合考慮電勢場與結(jié)合作用的修正方程

采用CNN模型提取不斷變化的拓?fù)湫畔⒅袧摬氐哪Ｊ教卣?通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選取、超參數(shù)的確定、訓(xùn)練算法的設(shè)計、性能的優(yōu)化來構(gòu)建模型.

混凝土與鹽漬土之間存在濃度梯度的離子主要有Na+、K+、Cl-、OH-[9,12],由于濃度差異,不同離子會以不同的速率向混凝土內(nèi)遷移,在這過程中移動速度較快的離子攜帶著多余的電量便會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生電勢場,電勢場的存在將會影響氯離子的運(yùn)移。在不考慮侵入離子間的化學(xué)作用,且假定混凝土孔隙飽和情況下,擴(kuò)散電遷移場作用下的氯離子通量Jv簡化為[8]

(3)

式中:Di、Ci、si——離子i的擴(kuò)散系數(shù)、濃度、電荷數(shù); F——法拉第常數(shù); V——離子擴(kuò)散產(chǎn)生的電勢,可通過電荷的空間分布(式(4))定義。

(4)

式中:ρ——電荷密度;ε——混凝土介電常數(shù);ω——區(qū)域內(nèi)固定電荷密度。

混凝土固相能吸附孔隙中遷移的氯離子,除物理吸附外,氯離子與C3A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。劉芳等[13]認(rèn)為Langmuir等溫線較適合自由氯離子與結(jié)合氯離子之間的關(guān)系。離子遷移過程中混凝土固相吸附Cl-與解吸附OH-的過程相互補(bǔ)償[8],研究其他離子在混凝土中的運(yùn)移很少,可不考慮結(jié)合作用對其他離子的影響。于是基于Langmuir等溫線關(guān)系為

(5)

式中:Cb——結(jié)合氯離子濃度;Cf——自由氯離子濃度;α、β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),分別取1.67、4.08[14]。

綜上,根據(jù)離子質(zhì)量守恒,恒溫條件,孔隙飽和,忽略不同離子間化學(xué)作用,且不考慮結(jié)合作用對其他離子的影響,考慮了擴(kuò)散、電遷移場與結(jié)合作用的修正氯離子遷移方程為

(6)

式中:δi——結(jié)合作用影響系數(shù),當(dāng)離子為Na+、K+時δi=1。

2　有限元模型描述

南通市洋口港地區(qū)的鹽漬土屬于典型的濱海相鹽漬土。近地表區(qū)域,因受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,含鹽量較高,又因地下水流影響,沿地表向下鹽漬土含鹽量逐漸減小(圖1),圖1中 z為地下深度,p為離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù), C為氯離子質(zhì)量濃度。鹽漬土中Cl-與SO42+質(zhì)量濃度平均值比在5～9之間[15],根據(jù)JTGD30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[16],鹽漬土為典型的氯鹽漬土。易溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～1.2%,氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.6%[15],區(qū)域土為弱-中鹽漬土,以弱鹽漬土為主。實(shí)測氯離子質(zhì)量濃度在0～2m范圍波動幅度較大,2m以后變化較小,如圖1(b)所示。當(dāng)采用線性擬合,可以考慮采用放大1.45倍后的上限值,模型邊界處的氯離子濃度隨深度變化關(guān)系為

(7)

圖1　南通濱海地區(qū)鹽漬土鹽含量分布Fig. 1　Distribution of salt content in saline soil in coastal area in Nantong City

2.2計算模型

基于修正氯離子運(yùn)移方程,通過ComsolMultiphysics軟件建立混凝土保護(hù)層中氯離子遷移模型?？紤]到鹽含量在地表向下2m范圍內(nèi)波動較大,且出現(xiàn)最大值,模型的尺寸設(shè)為80mm×2mm。鑒于混凝土內(nèi)與表面處的離子濃度差異很大,加密邊界附近的網(wǎng)格。模型的初始及邊界條件為

(8)

式中:L——模型寬度;Ci,init、Ci,b——混凝土內(nèi)離子i的初始濃度和邊界濃度。

2.3計算參數(shù)

表1　模型計算參數(shù)Table 1　Calculated parameters of model

混凝土孔隙溶液為電中性平衡時,Na+與K+的初始濃度分別為OH-濃度的2/3和1/3[9];混凝土表面離子濃度設(shè)為南通濱海鹽漬土環(huán)境下的離子濃度值,其中OH-濃度非常小[12],認(rèn)為OH-濃度值為0。模型計算參數(shù)見表1。張俊芝等[4]擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為普通硅酸鹽水泥混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其抗壓強(qiáng)度存在較好的相關(guān)性(式(9));楊躍等[5]認(rèn)為粉煤灰混凝土內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)(式(10)),由式(9)、式(10)可得氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

(9)

Dref=(-0.054 24fc+5.586 86)×10-12

(10)

式中:fc——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d實(shí)測混凝土抗壓強(qiáng)度,MPa。

3　計算結(jié)果分析

3.1普通硅酸鹽水泥混凝土抗氯離子侵蝕能力

混凝土內(nèi)的氯離子分布是分析鹽漬土環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的前提[17]。圖2為模型上邊界的氯離子濃度隨時間和空間的分布,其中 l為距混凝土表面距離,CCl為氯離子濃度。由圖2(a)可知,普通硅酸鹽水泥混凝土,10a時,C30強(qiáng)度等級,混凝土內(nèi)50mm深度處,氯離子濃度為93.9mol/m3,而C60強(qiáng)度等級, 最大為53.8mol/m3,降低了約1.75倍。說明提高混凝土抗壓強(qiáng)度等級有利于延緩氯離子向混凝土內(nèi)部的運(yùn)移,這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級越高,結(jié)構(gòu)越密實(shí),孔隙率越小,越能阻礙氯離子遷移。隨著時間的增加,混凝土內(nèi)的氯離子濃度增加十分迅速,20a時,C30、C60強(qiáng)度等級下,混凝土內(nèi)50mm深度處的氯離子濃度已分別為154.2mol/m3和110.9mol/m3,而C60強(qiáng)度等級下,混凝土內(nèi)60mm深度處僅為66.7mol/m3,相比50mm處降低了約1.67倍,說明隨著保護(hù)層厚度的增加混凝土內(nèi)部氯離子含量降低。

圖2　混凝土模型上邊界的氯離子濃度分布規(guī)律Fig. 2　Distribution of chloride ion concentration at upper boundary of concrete model

鋼筋混凝土預(yù)測壽命從安全角度考慮為腐蝕破壞過程的初始階段,即混凝土內(nèi)鋼筋表面達(dá)到氯離子臨界濃度,鋼筋腐蝕開始的時刻[12]?？紤]到開始腐蝕時鋼筋點(diǎn)腐蝕電位小于-200mV,此時氯離子臨界濃度約為47.9mol/m3[12]。因此南通鹽漬土環(huán)境,即便采用C60強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥混凝土,保護(hù)層厚取50mm,其耐久年限只有10a左右,保護(hù)層厚取60mm,其耐久年限也僅有20a,這也說明了為什么在氯離子侵蝕環(huán)境,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般使用不到20a就出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕[1-3,12],所以鹽漬土內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),僅靠提高普通硅酸鹽水泥混凝土的強(qiáng)度等級及其保護(hù)層厚度,達(dá)不到結(jié)構(gòu)要求的耐久年限。

3.2粉煤灰混凝土抗氯離子侵蝕能力

由圖2(b)可知,摻用粉煤灰的C30混凝土, 10a時,混凝土內(nèi)50mm深度處的氯離子濃度幾乎為0;100a時,為53.2mol/m3,采用C60強(qiáng)度等級時,僅為9.8mol/m3。說明鹽漬土環(huán)境,采用粉煤灰混凝土可以極大阻礙氯離子對混凝土的侵入。因?yàn)榉勖夯沂够炷脸跗诘母稍锸湛s降低,粉煤灰中的微細(xì)顆粒使膠凝材料的顆粒級配得到改善,進(jìn)而混凝土更加密實(shí)。粉煤灰中的火山灰反應(yīng)生成CSH凝膠和鈣礬石等水化產(chǎn)物,這些產(chǎn)物對氯離子有著較強(qiáng)的物理吸附能力,而且進(jìn)一步填充混凝土的毛細(xì)孔,使孔隙細(xì)化,降低混凝土孔隙率,使得氯離子遷移速度降低[5]。同時,粉煤灰的初始固化能力較強(qiáng),氯離子與粉煤灰中含量較高的Al2O3反應(yīng)生成Friedel鹽,可提高混凝土的固化吸附能力。

圖3　粉煤灰混凝土使用壽命Fig. 3　Service life of fly ash concrete表2　模型驗(yàn)證計算參數(shù)Table 2　Calculated parameter values for model verification

出處試樣Ci,b/(mol·m-3)Cl-Na+K+OH-王玲等[18]除冰鹽區(qū)200150500劉衛(wèi)民[19]天津?yàn)I海區(qū)408358500Thomas等[20]試塊(HPC)300250500

3.3粉煤灰混凝土耐久年限分析

如圖3所示,tc為混凝土結(jié)構(gòu)物耐久年限,d為保護(hù)層厚度。隨著混凝土強(qiáng)度提高以及保護(hù)層厚度增加,混凝土使用年限有著極大的提高?；炷翉?qiáng)度一定時,增加保護(hù)層厚度能極大的延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命。保護(hù)層厚度一定時,增大混凝土強(qiáng)度同樣能延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命。例如,C30混凝土,采用保護(hù)層55mm時,混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)測使用壽命為138.5a;而保護(hù)層為40mm,采用C60混凝土?xí)r,為100a,因此為保證100a耐久年限,南通鹽漬土環(huán)境下建議采用粉煤灰混凝土,在C30、C40、C50、C60強(qiáng)度等級下,保護(hù)層厚度分別為55mm、50mm、45mm、40mm。

4　模 型 驗(yàn) 證

如圖4(a)所示,王玲等[18]對北京除冰鹽環(huán)境下使用了18a的西直門立交橋橋基的混凝土取芯樣,芯樣為C45普通混凝土,對應(yīng)的D28為4.31×10-12m2/s[4],m取0.34[2,11]。模型邊界處的氯離子濃度可由實(shí)測濃度分布曲線反推,約為200mol/m3。劉衛(wèi)民[19]對天津?yàn)I海浪濺區(qū)使用了11a的天津港碼頭7～8段進(jìn)行梁板混凝土構(gòu)件取樣分析,取樣為C35粉煤灰混凝土,對應(yīng)D28為3.69×10-12m2/s[5],m取0.64[2,11],模型邊界處氯離子濃度約為408mol/m3。如圖4(b)示,Thomas等[20]把混凝土試塊暴露在英國南部海岸的海水浪濺區(qū)8a,試塊為C50粉煤灰混凝土,對應(yīng)D28為2.87×10-12m2/s[5],m取0.64[2,11],模型邊界處氯離子濃度約為300mol/m3。參數(shù)見表2。圖4表明,模型計算的結(jié)果與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好吻合。

圖4　氯離子濃度計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig. 4　Comparison of calculated and measured chloride ion concentrations

5　結(jié)　　論

a. 得到南通鹽漬土環(huán)境下氯離子在混凝土內(nèi)隨時間和空間的分布,混凝土內(nèi)氯離子的侵入量隨著時間增加而逐漸增長,隨著距混凝土表面距離增加迅速減少。

b. 采用C60高強(qiáng)普通硅酸鹽水泥混凝土,保護(hù)層厚60mm時,混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕年限也達(dá)不到20a,因此鹽漬土環(huán)境僅靠提高普通硅酸鹽水泥混凝土強(qiáng)度等級及保護(hù)層厚度不能滿足混凝土高耐久性要求,而采用粉煤灰混凝土則可以延長混凝土結(jié)構(gòu)使用年限。

c. 隨著粉煤灰混凝土強(qiáng)度等級的提高、混凝土保護(hù)層厚度的增大,混凝土內(nèi)部氯離子侵入量急劇減少,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命有明顯提高。

d. 在保證100a使用年限的前提下,南通鹽漬土腐蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建議采用粉煤灰混凝土,在C30、C40、C50、C60強(qiáng)度等級下,保護(hù)層厚度分別應(yīng)為55mm、50mm、45mm、40mm。

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Modifiedmigrationmodelforchlorideionsinconcreteanddurabilityanalysisofconcrete

GAOZirui1,XUYongfu1,LIShue2,CHENZhiming2

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Nantong City Highway Management Office, Nantong 226000, China)

Inconsiderationofthediffusion,electricfieldmigration,andbinding,acouplingchlorideionmigrationmodelwasestablishedbasedonFick’ssecondlaw.Themodelwasverifiedwithexperimentaldata.UsingthesalinesoilenvironmentinNantongCityasanexample,ComsolMultiphysicssoftwarewasusedtoanalyzethemigrationmechanismsofchlorideionsinconcrete,tosimulatethetemporalandspatialdistributionsofchlorideionsinconcrete,andtoexaminethechlorideresistanceofordinaryPortlandcement(OPC)concreteandflyashconcretewithdifferentstrengthgrades.Theresultsshowthat,inthesalinesoilenvironment,theOPCconcretestructurecannotmeetthedurabilityrequirementsbyonlyimprovingtheconcretestrengthgradeandprotectivecoverthickness.Flyashconcretecanimprovetheservicelifeoftheconcretestructure.InthesalinesoilenvironmentinNantongCity,areinforcedconcretestructureshouldadoptflyashconcrete,andtheprotectivecoverthicknessofflyashconcretewithstrengthgradesofC30,C40,C50,andC60shouldbe55mm, 50mm, 45mm,and40mm,respectively,foraservicelifeof100years.

migrationmodelforchlorideions;salinesoil;concretecorrosion;concretedurability;ComsolMultiphysicssoftwar;ordinaryPortlandcementconcrete;flyashconcrete

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.009

2015-11-28

江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目(2015T18)

高子瑞(1990—), 男, 江蘇徐州人, 碩士研究生, 主要從事鹽漬土工程性質(zhì)研究。E-mail:zirui_gao@163.com

徐永福,教授。E-mail:yongfuxu@hotmail.com

TU448;TU528

A

1000-1980(2016)05-0432-06