水泥基材料中氯離子擴散預測研究

孟 起 曾慶林

金陵科技學院建筑工程學院（211169）

0 引言

氯離子引發(fā)的鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要原因之一。氯離子侵入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中后，會使鋼筋周圍混凝土的pH 值下降，從而破壞鋼筋的鈍化膜，在鋼筋表面形成腐蝕電池，侵入的氯離子還會加快腐蝕電池的作用速度，進一步地加快鋼筋銹蝕進程[1]。開展氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性問題的研究，對延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命、降低工程的安全隱患、節(jié)約資源和成本有著十分重要的意義。

我國有關(guān)部門自20 世紀60 年代就開始了針對海港工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況的調(diào)查[2]。在對華南、華東地區(qū)的27 座海港混凝土結(jié)構(gòu)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)其中有74%的結(jié)構(gòu)存在因鋼筋銹蝕而造成的破壞。國外同樣面臨著鋼筋混凝土耐久性問題，形勢也非常嚴峻。澳大利亞Sharp[3]對62 座海岸混凝土結(jié)構(gòu)進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)出現(xiàn)了嚴重的銹蝕破壞。英國為解決海洋環(huán)境下混凝土建筑物的腐蝕與防護問題，每年需花費接近20 億英鎊。

綜上所述，氯離子引發(fā)的鋼筋銹蝕導致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題非常嚴重，因鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而造成的經(jīng)濟損失十分巨大。文章在闡述氯離子擴散機理的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)階段常用的氯離子擴散預測模型，總結(jié)了現(xiàn)有模型的優(yōu)缺點，提出了預測模型改進建議。

1 氯離子擴散機理

擴散指的是溶液中的離子，在化學勢能梯度的作用下，從高濃度處向低濃度處定向遷移的過程。根據(jù)離子的擴散通量是否為一穩(wěn)定值，擴散被分為穩(wěn)態(tài)擴散和非穩(wěn)態(tài)擴散。

當擴散通量達到穩(wěn)定狀態(tài)時，其值的大小不再隨時間而發(fā)生變化，體系達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時的擴散過程為穩(wěn)態(tài)擴散，常用Fick 第一定律表示為:

式中，D為擴散系數(shù) （m2/s）；C為氯離子濃度（%）；x為深度（m）。

當擴散通量是一個隨時間和位置變化的變量時，體系的擴散過程稱為非穩(wěn)態(tài)擴散，常用Fick 第二定律表示為:

2 氯離子擴散預測模型

氯離子擴散模型是預測氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學者經(jīng)過多年研究，建立了相應的氯離子擴散模型。

2.1 通用氯離子擴散模型

對于非穩(wěn)態(tài)氯離子擴散，F(xiàn)ick 第二定律是最常用的擴散模型，在一維情形下通常表示為:

式中，D為氯離子擴散系數(shù) （m2/s）；t為暴露時間（s）；x為擴散深度（m）；C（x,t）為暴露時間t后深度x處的氯離子濃度（%）。

通過給定初始條件C（x,0）=C0及邊界條件C（0,t）=Cs，得到式（3）的解析解為:

式中，C0為初始氯離子濃度 （%）；Cs為表面氯離子濃度（%）；erf 為誤差函數(shù)。

2.2 考慮暴露時間的氯離子擴散模型

在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)[4]，擴散系數(shù)并非為一定值，而是會隨著水泥水化的進行而隨時間變化。Thomas 等[5]于1999 年首先對擴散系數(shù)表達式進行了改進:

式中，m為齡期系數(shù)；D0為參考暴露時間t0時的參考瞬時擴散系數(shù)。

Tang 和 Gulikers[6]則將式（5）代入 Fick 第二定律解析式中以建立擴散預測模型，通過將式（4）中的D 換成D(t)，并將?T=D(t)dt代入，得到:

對T在區(qū)間[tex,tex+t]上進行積分，其中tex為養(yǎng)護齡期，得到如下積分結(jié)果:

將式（7）代入式（6），最終得到如下預測模型:

3 模型優(yōu)缺點分析

上述模型的可行性已在后續(xù)的研究中得到驗證，并被廣泛應用于預測氯離子的擴散規(guī)律。但是上述模型仍然存在一定的局限性，其中，式（4）中的擴散系數(shù)被假設為一定值，但是在實際擴散過程中，由于持續(xù)的水泥水化反應等因素的影響，擴散系數(shù)是一變值。式（8）雖然解決了擴散系數(shù)隨時間變化的問題，但是也存在一定缺陷:首先，該模型主要針對的是標準養(yǎng)護28 d 的混凝土，而在實際工程中，很難保證28 d 的標準養(yǎng)護；其次，模型中的參數(shù)和與養(yǎng)護齡期密切相關(guān)，不同的養(yǎng)護齡期對應不同的參數(shù)值，一旦養(yǎng)護齡期發(fā)生變化，參數(shù)值就需要重新確定；最后，參數(shù)值的確定過程較為繁瑣，需要進行大量的試驗和計算，耗時較長。

4 改進建議

氯離子的擴散不僅受到暴露時間的影響，還會受到養(yǎng)護齡期、溫濕度等多重因素的影響，因此還需要進一步研究這些因素對氯離子擴散的影響，建立多因素影響下的擴散模型。同時，在建立模型的過程中，還需考慮模型參數(shù)的變化規(guī)律，模型參數(shù)通常會隨著影響因素的改變而發(fā)生變化。因此，建立關(guān)于參數(shù)的表達式，或者建立相應的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，能夠有效地增加預測精度，提升預測效率。

5 結(jié)語

氯離子引發(fā)的鋼筋銹蝕導致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題非常嚴重。文章在闡述氯離子擴散機理的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)階段常用的氯離子擴散預測模型，總結(jié)了現(xiàn)有常用模型的優(yōu)缺點，并提出了預測模型改進建議。現(xiàn)有的氯離子擴散預測模型能夠在一定程度上較為準確地預測氯離子的擴散情況，但是仍然存在諸多缺陷，有很大的改進和完善空間。因此，建立并完善氯離子擴散模型，為準確預測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命提供理論依據(jù)，對提高混凝土的耐久性具有十分重要的意義。