氯离子扩散模型（精选7篇）
氯离子扩散模型 篇1
摘要：钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁破坏的重要原因之一,氯离子侵蚀是近海大气区钢筋锈蚀的首要因素。在Fick第二定律的基础上,基于持续荷载影响,提出了考虑温湿度因素影响下的改进的氯离子扩散模型,给出了模型各参数取值,通过两个试验,验证了模型的合理性。
关键词：钢筋混凝土,锈蚀,持续荷载,湿度,温度,氯离子扩散模型
1 引言
桥梁设施的耐久性正被人们持续关注。导致混凝土桥梁结构耐久性性能下降的因素包括钢筋锈蚀、冻融破坏、有害介质侵蚀等,其中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性和使用寿命的重要因素之一。而氯离子侵蚀是沿海环境下引起钢筋锈蚀的首要因素。
我国东部沿海及南方地区处于亚热带海洋性气候,温度和湿度较高,氯盐腐蚀严重,对混凝土桥梁可靠度及寿命造成严重威胁。现有的氯离子扩散模型未能充分考虑其影响。
2 蚀钢筋混凝土氯离子的扩散模型
2.1 基准模型—Fick 扩散定律及发展
Fick扩散定律采用了如下的理想假定 :1)氯离子的扩散系数是一个常数,不随时间变化。2)氯离子扩散时不与混凝土结合。3)混凝土是半无限均匀介质。根据上述基本假定,Fick扩散定律可表示为:
式中:x为混凝土深度,t为时间,D为扩散系数,CX为x处空隙溶液中氯离子的浓度。Collepordi等引入边界条件:CX(t=0)=C0,CX(x=0)=CS,首先给出了在非稳定条件下Fick扩散定律的解析解:
文献[3]基于王元战模型,结合考虑了荷载影响因子f(δ)和氯离子结合能力R两种因素 ,提出了两种因素耦合的氯离子扩散的修正模型,
模型中参数值确定:王元战[4]等针对不同环境条件下氯离子扩散系数与载荷试验结果利用二次多项式进行拟合,得到的载荷影响因子公式,多伦多大学土木工程系的Thomas等通过实验得出不同混凝土材料下R的值。衰减系数m引用文献[6]和[7]的建议。
2.2 改进的氯离子扩散模型
当持续荷载发生时,温湿度对氯离子扩散的影响更加突出,然而这一重要因素却甚少被大家提及,被考虑进去,笔者结合持续荷载的影响,并做出以下讨论:
(1)温度的影响
混凝土桥梁内部温度随着周围环境温度变化,温度升高时,氯离子相对活跃,扩散能力增强,本研究采用公式:
式中:为混凝土养护28d后的温度,一般取293 K;U为整个扩散过程中激活的能量 ,Martin-perez的试验结果表明 , 对于普通 混凝土 , 水灰比为0.4时 ,U取41.8±4.0 k J/mol; 水灰比为0.5时 ,U取44.6±1.3k J/mol;水灰比为0.6时 ,U取32.0±2.1 k J/mol。R为气体常数,R=8.314 J/(mol.K)。
(2)湿度的影响
混凝土中水分的存在是氯离子发生扩散的必要条件,混凝土中湿度的增加能提高氯离子的扩散速率.因此,在分析氯离子的扩散系数时,必须考虑环境湿度的影响。本研究采用如下公式进行计算:
式中:hc为临界相对湿度,一般取75%;大气区,取75%;潮差区,95%;浪溅区,取90%。
综上所述,氯离子扩散系数的改进模型为:
式中各参数同上。
3 计算实例
针对已有的以小尺度的试块实验未能反映实际混凝土结构在荷载与氯盐耦合作用效应,金伟良自行设计了持续荷载作用下的加速锈蚀实验,并对实验后混凝土梁的力学性能进行研究。本文采用其实验数据并结合上述方法进行研究。
3.1 试验步骤
采用“电渗 - 恒电流 - 干湿循环”方法对钢筋混凝土梁进行持续荷载作用下的加速锈蚀。为使试验更加符合实际情况, 持续荷载试验和干湿交替循环试验同时进行。事先通过静载试 验测得参考 梁的极限 承载力F(135 k N),然后分别以0.2 Fu和0.5 Fu进行持续荷载试验(试验梁编号分别为Rc-0.2、Rc-0.5),并以未进行荷载施加试验梁(Rc-0)进行参考。
3.2 试验结果
采用RCT—快速氯离子检测方法对试验梁保护层范内内(30 mm)的氯离子质量分数进行测定。结果如图1所示。
从图1中可以清楚地看到: 在保护层厚度范围内随着持续荷载等级的增加, 氯离子的质量分数明显变大;在一定深度范围内,氯离子质量分数均呈下降趋势达到一定深度(>20 mm)后,施加持续荷载的试验梁的氯离子质量分数均出现增加,而参考梁Rc-0持续降低模型参数值如表1。
试验梁Rc-0.2与Rc-0.5的预测值和实测值如图2、3。
从图3中可以看到,考虑温湿度的改进氯离子扩散模型的预测值与试验值更接近,这是因为室内试验环境下,环境相对稳定,利于改进氯离子扩散模型的预测。
4 结束语
沿海地区的钢筋混凝土桥梁更易受到氯离子侵蚀,造成结构性劣化甚至损坏。在现有学者研究基础上,综合考虑了氯离子结合能力、荷载影响系数、温度及湿度的影响,提出了改进的氯离子扩散模型。该模型相较于传统仅考虑单一因素影响的氯离子扩散模型,能更加合理、更加准确,为钢筋混凝土桥梁的寿命预测提供理论依据。两个实例验证了改进的氯离子扩散模型的合理性,并较之原有模型更加贴近实际。
氯离子扩散模型 篇2
1 材料组成成分的影响
材料组成成分对氯离子环境下的混凝土耐久性的影响,主要体现在不同的组成成分可以改变混凝土的密实性、孔结构和组成材料对氯离子的吸附性[1]。
混凝土由水泥、水、粗细骨料和掺合料组成。水胶比的大小不仅影响混凝土的密实度和强度,也影响混凝土的微观孔隙的直径与体积。孔的大小与结构除了与水胶比有关外,还与水泥的品种与混凝土中的掺合料有关。Han Young Moon[2]研究表明:OPC(普通硅酸盐水泥),LHC(低热水泥),SRC(抗硫酸盐水泥),GGBF(炉渣水泥),TBC(炉渣和粉煤灰混合水泥)的孔隙直径大小是不同的,其大小顺序为:LHC>OPCⅴSRC>G4C>G6C>TBC;在同种水泥品种下,水胶比越大孔直径越大,孔的体积越大;氯离子的渗透系数与水泥的品种、掺合料和水胶比等因素有很大的关系,其渗透系数的大小排列顺序为:LHC>OPCⅴSRC>G4C>G6CⅴTBC。
混凝土中的掺合料不仅可以改变混凝土的孔体积与结构,从而改变氯离子的渗透系数,而且矿渣等掺合料对氯离子还有吸附作用,减少混凝土中自由氯离子的含量,降低混凝土中钢筋的锈蚀风险。海工混凝土一般要掺加矿渣来提高混凝土的耐久性。
2 施工及养护条件的影响
除了水胶比、材料组成成分直接影响混凝土的硬化结构和强度外,混凝土的施工情况、养护条件等也直接影响混凝土的硬化结构与强度,尤其对混凝土构件表面区域的影响最大,而此区域恰恰是影响混凝土耐久性的决定性区域。
氯离子渗透系数与混凝土抗压强度有直接关系,而且强度越高,渗透系数越低。但混凝土抗压强度是混凝土的一种宏观力学性能,对于混凝土构件截面而言,尽管混凝土内或靠近表面区域的混凝土强度差别不大,但其孔结构可能相差较大。如混凝土水胶比、混凝土施工的工作性、振捣时间、不同浇筑位置等对表面区域的孔结构影响很大,对混凝土的渗透性等影响也就很大。但从宏观上看,对混凝土强度影响则比较小。目前混凝土的设计强度、渗透性系数等都是实验室标准试件、标准试验条件下的实验结果,从整个截面特性来看,能反映混凝土的情况,但就实际施工的混凝土表面区域的情况看,这样的结果可能与实际相差很大。
除此之外,实际工程混凝土的脱模时间与养护条件对混凝土表面区域的影响也会很大。脱模时间与养护条件对混凝土表面区域的影响,还与不同地域、不同季节的环境条件有关。以烟台地区为例,春季施工,天气非常干燥,如脱模较早,表面失水非常快,混凝土表面强度往往达不到设计强度,而且有时主体验收时就发现混凝土的碳化深度超过了6 mm。
目前工程上一般要求脱模后用塑料薄膜对混凝土柱、墙等构件进行包裹养护。质量管理部门及施工企业对这一措施的认识主要是为了提高混凝土的强度,而没有认识其提高耐久性的重要作用。实际上,从强度的角度看,即使表面的混凝土强度由于养护措施不当,造成一定程度的下降,并不能显著地降低混凝土结构的承载能力与安全度。但是,从耐久性的角度看,会显著地降低混凝土结构的耐久性与使用寿命。由于对这一问题在认识上存在误区,实际施工验收时,一旦回弹法测混凝土强度不满足设计或规范要求,一般要求再采用钻芯取样法做抗压试验校核,如抗压试验满足要求,则认为满足要求。这实际掩盖了混凝土构件表面区域对混凝土耐久性与使用寿命的潜在的、重要的影响。
3 环境条件的影响
环境条件对氯离子渗透系数性能有明显影响。氯离子的渗透性能与孔隙的压力差和浓度差有关,而压力差与浓度差又与混凝土的饱和程度、干湿循环条件、温度、时间、碳化程度等有关。
碳化会改变混凝土的孔结构、提高混凝土的强度,同时会改变混凝土中的氢氧根浓度,而其比值是判断氯离子环境下混凝土中钢筋是否起锈的重要标准,所以很多研究者研究了氯离子和碳化耦合作用下的渗透机理、提出了渗透模型和混凝土寿命评估模型等,并结合矿渣对氯离子的吸附作用和掺矿渣混合料的混凝土碳化速度,研究海工混凝土的使用寿命[4,5]。
实验研究表明[6],环境气候条件如雨水和温度等对混凝土的水化有很大影响,实际受到的雨水的作用与实验室的干湿条件变化有很大不同,从而对钢筋锈蚀的影响也不同。气候环境条件对耐久性的影响主要体现在:昼夜循环、季节循环、极端温度和雨雪天气的频率与时间。冬天的平均腐蚀电流密度比夏天大,主要因为冬天水分蒸发慢。
我国的耐久性设计标准和耐久性评估标准,考虑了湿度、温度等不同对混凝土耐久性的影响,但研究资料相对缺乏,尤其缺乏现场混凝土构件保护层湿度变化规律的调查和研究资料。
4结论与建议
研究氯离子作用下的混凝土耐久性,必须清楚地了解和研究混凝土表面区域特征的渗透特性和规律。而目前已有的研究主要在实验室条件下开展,很少考虑施工条件与养护条件的影响,很少考虑混凝土表面区域湿度与环境气候条件的关系。因此,开展这方面的研究是十分必要的,不仅在理论上具有重要意义,而且在实践上对提高工程质量,提出新的质量控制标准也具有重要意义,从而从根本上改变设计、施工中重视强度和安全,忽视或不了解耐久的问题。
开展这方面的研究最好结合一实际混凝土结构,从浇筑混凝土开始,一方面监测混凝土内部的湿度变化,特别是拆除模板前后的湿度变化,并检测混凝土表面区域的渗透特性等指标;另一方面检测预留混凝土试样在标准养护条件下的参数变化情况。这样不仅可以直接分析总结实际混凝土湿度的变化规律及其对耐久性参数的影响,而且还可以建立标准实验和实际检测间的关系。
参考文献
[1]中国土木工程学会标准.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[2]Han Young Moon,Hong Sam Kim,Doo Sun Choi.Relation-ship between average pore diameter and chloride diffusivity invarious concrere[J].Construction and Building Materials,2006(20):725-732.
[3]左晓勇.氯离子侵入钢筋混凝土结构的机理及其防护措施[J].山西建筑,2007,33(24):170-171.
[4]Yunping Xi.etal.Modeling chloride penetration in saturatedconcrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1999,11(1):23-24.
[5]Yunping Xi.etal.Chloride penetration in non-saturated concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003(2):80-81.
氯离子扩散模型 篇3
沿海及近海地区的混凝土结构,由于海洋环境对混凝土的腐蚀,导致钢筋锈蚀而使结构发生早期破坏,这已成为实际混凝土工程面临的重要问题[1]。尽管我国从20世纪80年代就开始了对混凝土结构的耐久性研究,但总的来说,涉及耐久性研究的内容系统性和试验方法的规范性仍有待完善,其中荷载作用下海工混凝土的耐久性研究显得尤为突出。事实上,由于泌水、收缩、温度梯度、冻融以及碱-骨料反应等原因,浇筑后的混凝土在使用前就已经存在微裂缝,而外部荷载和环境条件作用会使混凝土产生更多的微裂缝并使混凝土中的原始微裂缝扩展和相互连通。这些微裂缝可以形成潜在的传输通道,使侵蚀性介质更容易进入混凝土内部。
最早研究荷载与混凝土离子扩散性能之间关系的是法国的R.Francois和J.C.Maso[2],其采用两种钢筋混凝土梁,通过三点弯曲的方法对梁施加荷载,并通过喷洒盐雾来促进氯离子在混凝土中的渗透。研究发现,氯离子的渗透与所施加荷载引起的混凝土微裂缝发展有关;氯离子在受拉区的渗透显著大于受压区的渗透,氯离子主要沿着裂缝与钢筋交叉渗透,渗透区域为裂缝附近的狭窄区域。R.Francois[3]还通过试验研究了以不同胶结料制备的钢筋混凝土在不同荷载水平下的氯离子渗透性能。试验中利用两种荷载方式分别使混凝土产生纵向裂缝和横向裂缝,在盐雾和干燥交替环境下进行氯离子侵蚀,试验发现随着拉应力提高,通过裂缝进入混凝土的氯离子含量显著提高。
A.Konin和R.Francois[4]对受拉混凝土的氯离子渗透性做了进一步研究,将试件拉伸到产生裂缝,卸载后放入盐雾室内。12个月后的结果表明,混凝土受拉荷载对氯离子渗透有显著影响,扩散系数与荷载水平之间存在指数关系。
Olga Garces Rodriguez等人[5]通过人工方法使混凝土产生平滑和粗糙的两种平行裂缝,裂缝宽度控制在0.08~0.68mm。对混凝土试件进行40d的高浓度氯离子渗透试验,然后用能量散射X射线和扫描电镜技术对通过裂缝面进入混凝土内部的氯离子进行分析,结果发现,裂缝宽度和裂缝面粗糙程度对氯离子渗透没有影响。在裂缝面光滑情况下,通过断面的氯离子渗透与通过表面的渗透情况相同,由此产生的两个方向的同时渗透使氯离子渗透深度加大。文献[6]则用分析的方法对各向异性和各向同性的裂缝网络进行了理论上的评估。B.Gérard假设裂缝尺寸一致并沿一维或二维网格均匀分布,将理论分析结果与试验数据相比较。两个系列的结果都表明裂缝能明显改变材料的扩散性能。该文提出了一个基于裂缝密度和平均裂缝宽度预测裂缝对混凝土扩散性影响的简单方法。
邢峰[7]等利用自行设置的加载装置对长期荷载对混凝土氯离子渗透性的影响进行了研究。结果显示,氯离子渗透深度随荷载水平的提高而逐步加速增大,并且两者之间的关系可以用三次多项式来模拟。何世钦[8]等研究了持续弯曲荷载作用下氯离子在混凝土中的扩散渗透规律,结果分析说明在持续弯曲荷载作用下,混凝土截面产生拉应力,增多了混凝土中的微裂缝,加快了氯离子扩散速度,且随着时间的增加氯离子扩散系数减小、氯离子渗透深度处的含量增大。
由于在荷载作用下研究混凝土的渗透性难度大,试验过程不易操作,试验方法的不同也会影响数据结果,为了更好地指导工程实践,仍需要进一步的研究。为此,本文基于海洋环境暴露条件,研究了力学荷载作用下混凝土中的氯离子扩散性能。
1 试验方案
1.1 原材料及试块制备
试验中制备试块的原材料包括P·Ⅰ52.5级硅酸盐水泥、青岛某电厂产二级粉煤灰、青岛某公司产S95磨细矿粉、细度模数为3.1的河砂、最大粒径为20mm的碎石,为保证混凝土拌合料的流动性,拌合时添加了一种聚羧酸高效减水剂。混凝土试块的配合比如表1所示。
kg/m3
本试验的试块大小为100mm×100mm×400mm,按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]的有关规定制作,试块在Ca(OH)2饱和溶液中养护至56d龄期。
1.2 试块加载及暴露环境
对养护56d的试块进行抗折强度的测定,然后以抗折强度的30%和60%作为应力水平值对试件施加不同水平的弯曲荷载。试验采用自行设计制作的持载复合腐蚀试验仪作为持载装置,见图1,使用千斤顶加载、弹簧持载。用松香石蜡封住试块成型时的上表面、下表面及两个端面。加载完毕后,分别放置在位于青岛小麦岛的海边大气区、潮汐区位置,以及浸泡于5%的Na Cl溶液中。试块暴露或浸泡达到预定时间后,按图2所示的受压区和受拉区,对试块逐层磨粉取样,根据JTJ 270-98《水运工程混凝土试验规程》[10]检测混凝土中水溶性氯离子含量,得出各种暴露环境下混凝土的氯离子含量分布。
2 试验结果分析
实际海洋暴露环境下未加载混凝土的氯离子含量分布如图3、图4所示,图中9m、12m表示暴露时间为9个月、12个月。从图中结果可以看出,位于大气区的混凝土氯离子含量明显低于潮汐区。另外,潮汐区的混凝土距离表面一定深度存在对流区,氯离子含量会在此聚集达到一个峰值。这主要是由于,相当一部分氯离子是由盐水向干燥混凝土内的毛细吸收带入,而且在吸收和蒸发下氯离子还有在混凝土中积聚的趋势。在混凝土表层区域内,水分含量受环境情况影响较大,而在混凝土内部较深的区域,水分含量则较为稳定或变化较慢。所以在混凝土内部,氯离子的传输才接近理论意义上的扩散,而表层区域的氯离子运动则与扩散模型偏差较大。相同的暴露环境和暴露时间下,双掺矿粉和粉煤灰的混凝土SC1中的氯离子含量及渗透深度都要小于未掺掺合料的混凝土SC3,说明掺加适量的粉煤灰和矿粉有利于提高混凝土的密实性和抗渗性能,从而对氯离子的传输有较大影响。
为了分析力学荷载对混凝土中氯离子传输的影响,图4给出了实际海洋潮汐区环境下暴露12个月的加载及非加载混凝土试块的氯离子含量分布曲线,图5和图6给出了浸泡时间为12个月、实
此外,本研究中,实验室暴露条件下得到的氯离子渗透性结果比实际海洋潮汐区暴露条件下得到的结果略大。
3 氯离子扩散系数
目前已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要包括:毛细管作用、渗透作用、扩散作用和电化学迁移。由于暴露条件的不同,氯离子侵入的机理也不相同,通常是几种方式组合作用的结果,另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件,其中的一种侵蚀方式是主要的。比如在干湿循环条件下,虽然混凝土表面的氯离子可以通过毛细管快速进入混凝土,但毛细管吸收的深度不大[11],所以,当深度超过一定范围后,氯离子主要还是以扩散机理在混凝土中传输。
尽管氯离子在混凝土中的传输机理非常复杂,但在许多情况下,扩散被认为是一个最主要的传输方式之一。Fick定律是处理匀质体扩散的经典方程,多被用来分析氯离子在混凝土中的扩散,由Fick第二扩散定律建立的一维扩散方程为:
式中,t为时间,x为距混凝土表面的距离,D为氯离子扩散系数,C为距混凝土表面x处的氯离子浓度。当初始条件为t=0,x>0时,C=C0;边界条件为x=0,t>0时,C=Cs,方程(1)的数学解为:
式中,Cs为表面氯离子平衡浓度,C0为混凝土初始氯离子浓度,erf(z)为误差函数。
本文利用Fick第二扩散定律误差函数解法的模型曲线拟合试验得到的氯离子含量分布曲线,以相关系数R尽可能接近1作为拟合优度检验[12],得到氯离子的表观扩散系数Dap,混凝土拟合数据见表2。
从表2的计算结果可以看出,当荷载水平为30%时,荷载作用对氯离子传输的影响相对较小,在有的情况下,还出现了氯离子扩散系数随受压区应力水平先减小后增加的现象。这主要是由于,在压应力较小的阶段,荷载对混凝土微裂缝有一定的闭合效应,但随着应力水平进一步增加,混凝土表层及内部产生新的裂缝并发展,氯离子扩散性重新上升。而在荷载水平为60%时,荷载作用对混凝土中氯离子的扩散性影响显著。受拉区的氯离子扩散系数则随着荷载水平的增加而增加,而且受拉区的氯离子扩散系数都明显大于受压区。在配合比对混凝土氯离子扩散性影响方面,以实验室浸泡条件下的试验结果为例,当荷载水平为30%时,不管是受压区还是受拉区,未掺加矿物掺合料的SC3配合比试块的氯离子扩散系数及含量都要明显大于双掺矿粉和粉煤灰的SC1配合比,说明在相同的荷载水平下,氯离子在有一定矿物掺合料的混凝土中的传输性能明显小于未掺掺合料的混凝土。
从表2还可以看出,氯离子扩散系数随着时间有逐渐衰减的规律,比较符合Maage提出的氯离子扩散系数随时间的变化规律[13],见式(3):
式中,D0为t=t0时测得的扩散系数值,α是时间衰减系数,经计算,潮汐区SC1的α=0.57。
4 结论
(1)不同的暴露环境对氯离子在混凝土中的传输有很大的影响,在实际海洋环境中,潮汐区较大气区更为恶劣。
(2)在普通混凝土中掺加适量的粉煤灰和矿粉有利于提高混凝土的密实性和抗渗性能,氯离子含量及渗透深度在掺加一定矿物掺合料的混凝土中相对较小。试验结果中,氯离子扩散系数随着时间有逐渐衰减的趋势。
(3)对同一种混凝土,受压区的氯离子扩散系数存在随荷载水平先减小再增加的趋势,受拉区的氯离子扩散系数随荷载水平的增加而增加。当荷载水平为60%时,受拉区的氯离子扩散系数几乎是未加载时的2倍,因而荷载对混凝土中氯离子传输的影响十分显著。在利用氯离子扩散模型预测暴露海洋环境下混凝土结构的使用寿命时,需要考虑荷载因素的影响。
摘要：基于实际海洋环境暴露条件,研究了力学荷载作用下混凝土中的氯离子扩散性能。以Fick第二定律理论为基础,用误差函数对混凝土中随深度变化的氯离子含量分布进行了曲线拟合,从而得到氯离子表观扩散系数,并以此表征氯离子在混凝土中的传输性。分析了氯离子的扩散系数与原材料、配合比、暴露环境以及力学荷载间的关系。结果表明,力学荷载对海洋环境下混凝土中的氯离子传输性能有显著影响,在利用氯离子扩散模型预测暴露海洋环境下混凝土结构的使用寿命时,需要考虑荷载因素的影响。
氯离子扩散模型 篇4
关键词：活性粉末混凝土,聚丙烯纤维,钢纤维,氯离子扩散系数
0 前言
混凝土的氯离子扩散性能为评价混凝土耐久性的重要指标[1], 活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, 简称RPC), 是20 世纪开发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的新型材料,具有广阔的工程应用前景[2,3]。 近年来,国内学者对单掺钢纤维或聚丙烯纤维的RPC进行了较多的试验研究[4,5,6,7,8],这两种纤维都能不同程度地提高RPC的性能,但对于在混合掺入这两种纤维后还能否更进一步改善RPC各项性能方面的研究较少。 本文着重对混合掺入这两种纤维后,混凝土的抗氯离子扩散性进行分析和研究, 设计了16 组不同纤维掺量的RPC试件, 并对它们进行了抗氯离子扩散性试验,分析了两种纤维掺量对RPC抗氯离子扩散性能的影响以及混合掺入两种纤维能否有效的提高RPC抗氯离子扩散性能。 由于经过湿热养护的RPC各方面性能可得到改善[9,10],本文对16 组试件分别采用了三种养护方案,分析了不同养护条件对掺纤维活性粉末混凝土性能的影响。
1 试验概况
1.1 试验用原材料
水泥:42.5 级普通硅酸盐水泥,细度3400cm2/g,初凝时间160min,终凝时间220min,标准稠度用水量27%,烧失量0.5。
石英砂:粒径0.4~0.6mm,Si O2含量99.6%以上,颗粒形状为球形。
硅粉:平均粒径为0.1~0.2μm,比表面积>20m2/g, 45μm筛余量≤3%,需水量比<120%,28d活性指数<90%,密度200~600kg/m3,其主要化学成分见表1 所示。
%
硅微粉:白色粉末,平均粒径0.1~0.3μm,比表面积8000m2/kg,主要化学成分见表2。
%
石英粉: 平均粒径30μm, 粒径范围为15~60μm,颗粒多呈球形,Si O2含量不低于99%。
钢纤维:直径0.22mm,长度12~15mm,抗拉强度2300MPa以上。
聚丙烯纤维:束状单丝,长19mm,弹性模量>35GPa,导热性极低,燃点580℃,无吸水性,抗拉强度>440MPa,熔点171~173℃,抗酸碱性极好,直径22~44μm。
减水剂:淄博某公司产,棕褐色粉末,减水率≥25%,密度(1.09±0.02)g/m3,固含量(40±2)% ,p H值6~8,氯离子含量为0.04%,碱含量≤0.2%。
水:普通自来水。
1.2 活性粉末混凝土配合比
试验用活性粉末混凝土配合比见表3。
1.3 试件制作及养护
表3 活性粉末混凝土配合比
注:表中各组分含量均为质量分数。
注:表中的各纤维掺量为体积百分率。
首先按表3 配合比将称量后的材料放入强制式搅拌机中搅拌4min,再按表4 的纤维掺量将纤维加入搅拌机,继续搅拌6min,待搅拌完成后入模,将制作成尺寸为ø50mm×100mm的圆柱型试件,如图1。 试件制作成型24h后拆模,随后将试件分别采用在不同的养护条件进行养护,具体养护方案如下:
方案一:将拆模后的RPC试件放入标准养护箱中进行标准养护,养护时间28d。
方案二:将拆模后的RPC试件放入恒温箱中进行45°C水热养护,72h后再移到标准养护箱养护25d。
方案三:将拆模后的RPC试件放入恒温箱中进行75°C水热养护,72h后再移到标准养护箱养护25d。
1.4 氯离子渗透试验方法及原理
试验采用由清华大学路新瀛教授基于离子扩散和电迁移提出的试验方法[11,12],简称NEL法,这是一种测饱盐混凝土电导率的方法。 本试验将已养护完毕的活性粉末混凝土试件放入全自动真空饱水机中用4mol/L的Na Cl溶液真空饱盐, 使之成为线性元件,擦去饱盐试件表面盐水并置于试样夹具上的直径尺寸为50mm的两个紫铜电极之间, 利用NEL型氯离子快速测定仪在低电压下(1~10V)对饱盐活性粉末混凝土试件的电导率 σ 进行测定,如图2。 然后用Nernst-Einstein方程[13]确定混凝土中的氯离子扩散系数D。 NEL法的原理是把饱盐混凝土看成是固体电解质, 那么带电粒子i在混凝土中的D与偏导率 σ 有关,氯离子在混凝土中的扩散系数与混凝土饱盐电导率关系方程为:
式中,Di(cm2/s)和 σi(S/cm)分别是粒子i的扩散系数、偏导数;Ci是粒子浓度,取值0.004mol/cm3;Zi为电荷数或者价数,取-1;R是气体常数,为8.314J/(mol·K);F是Faraday常数, 为96500C/mol;T是绝对温度,取值301K。
式中,σ 为混凝土i的电导率;ti为粒子i的迁移数。
把式(2)带入式(1)可得到:
2 试验结果与分析
表5 为本文试验用16 组试件的抗压、 抗折强度对比表,图3、图4 和图5 为氯离子扩散系数试验结果。 由图可见,经过45℃湿热养护的RPC试件相比常温养护的RPC试件,其抗氯离子系数扩撒系数平均降低约5%;经过75℃湿热养护的RPC试件相比于常温养护的RPC试件,其抗氯离子扩撒系数平均降低达10%。
另外,从表5 可以看出,经过湿热养护的RPC试件的抗压和抗折强度都得到了提高,这说明湿热养护可提高掺纤维RPC试件的力学性能,并使试件的抗氯离子扩散性能得到提高。
图3 为单掺钢纤维的RPC试件与不掺纤维RPC试件的氯离子扩散系数对比。 由图3 可以看出, 钢纤维掺量从0~2%、3%、4%时,RPC试件的氯离子扩散系数逐渐增加,增幅为5%~12.5%。 这由于钢纤维和钢筋一样不耐氯盐腐蚀,钢纤维在RPC内部杂乱交织,使得RPC试件的孔隙率增加。 所以,掺入钢纤维降低了RPC试件的抗氯离子渗透性能。 但由于钢纤维在RPC试件内部为混乱分布,所以形成电池腐蚀的几率较低,同时,钢纤维能增加RPC试件的韧性,所以,在依照混凝土结构耐久性设计与指南(SSES—2004),掺入钢纤维的RPC试件的氯离子扩散系数依旧达到较低水平。 经过湿热养护的钢纤维RPC,其氯离子扩散系数随纤维掺量变化的增幅有所下降。
图4 为单掺聚丙烯纤维的RPC试件与不掺纤维RPC试件的氯离子扩散系数对比, 由图4 可见,试件的氯离子扩散系数达低水平,且掺入聚丙烯纤维试件的氯离子扩散系数均低于不掺纤维的RPC试件。 由图4 还可以看出,随着聚丙烯纤维掺量的增加,RPC试件的氯离子扩散性系数逐渐降低,其增量和聚丙烯纤维的掺量成反比,氯离子扩散性系数降幅平均为7%。 这主要是因为聚丙烯纤维降低了活性粉末混凝土的孔隙率, 使试件的密实性提高,难以被氯离子入侵,并且聚丙烯纤维不会被氯盐腐蚀。 所以,聚丙烯纤维能很好地改善RPC试件的抗氯离子扩散性能。 但从图4 中可看出, 掺入0.2%和0.3%聚丙烯纤维RPC试件的氯离子扩散系数基本持平,降幅不足1%,这说明聚丙烯纤维掺入量已趋于上限。
图5 为混合掺入钢纤维和聚丙烯纤维二种纤维的RPC试件和不掺纤维RPC试件的氯离子扩散系数对比。 由图可见,氯离子扩散系数均达低水平,且掺入2%钢纤维RPC试件的氯离子扩散系数均低于不掺纤维的RPC试件。 由图5 还可看出,随着钢纤维掺量的增加,氯离子扩散系数逐渐升高,但增幅不大;氯离子扩散系数随着聚丙烯纤维的掺量增加而降低。 与图3 中单掺钢纤维的RPC试件相比,混掺纤维RPC试件的氯离子扩散系数降低了5%~15%。 而从表5 中也可看出, 混掺两种纤维的RPC试件的力学性能有很大的提高。
3 结论
(1)湿热养护对掺加纤维RPC试件的各项性能有良好的影响,能够使PRC性能充分发挥,大幅改善钢纤维和聚丙烯纤维RPC的抗氯离子扩散性能,对比本文的三个养护方案,最佳为方案三。
(2)掺入钢纤维可使PRC的抗氯离子扩散性能下降,当钢纤维掺量为2%时,RPC的抗氯离子扩散性能最优;聚丙烯纤维使RPC的抗氯离子扩散性能得到很大改善, 但掺入0.2%和0.3%聚丙烯纤维RPC的抗氯离子扩散性能变化不大,从经济方面考虑,建议聚丙烯纤维的掺量为0.2%。
氯离子扩散模型 篇5
因此,研究荷载作用下氯离子侵蚀机理及其模型,揭示混凝土结构损伤后的氯离子传输性能,不仅具有理论指导意义,而且对混凝土结构抗氯离子侵蚀耐久性设计、正确预测混凝土结构抗氯离子侵蚀耐久性寿命等具有重要应用价值。
1试验
1.1原材料
水泥:沈阳冀东水泥厂生产的42.5级水泥,粉煤灰采用沈阳市昊木建筑材料厂生产的I级粉煤灰,矿粉采用S95级矿粉,细集料:采用河沙,中砂,细度模数为2.7,粗集料为:5-16mm碎石。硅灰采用鞍山意通生产的微硅灰,外加剂采用:羧酸高效减水剂,减水率35%。试验采用水胶比为0.4,配合比见表1所示。其中编号A为饱和盐溶液作用,编号B为饱和盐溶液与荷载共同作用。
试件的养护与加载方式见图1所示。
1.2试件制作
混凝土试件的尺寸为400×240×60mm3为实现单边浸泡侵蚀,在混凝土试件的五个面上(保留一侧400×240mm2不涂抹环氧树脂和环氧树脂固化剂的混合物)涂抹环氧树脂和环氧树脂固化剂的混合物。
1.3试验过程
混凝土试件浸泡于纯水、饱和盐溶液、饱和盐溶液和荷载共同作用三种不同的环境中至测试龄期,将混凝土试件放置于真空保水机进行混凝土试件饱水饱盐[4]。依据《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/TB07-01-2006),采用RCM法测定混凝土不同龄期的氯离子扩散系数,试验设备为RCM型氯离子扩散系数测定仪,试件尺寸为100 mm×50 mm,三个试块为一组。
2试验结果与讨论
测试获得了不同龄期下的氯离子扩散系数,见表2和图2所示。
实验结果表明:随着龄期的增长,浸泡于饱和盐溶液中的混凝土试件的氯离子扩散系数趋近于浸泡于饱和盐溶液与荷载共同作用环境的混凝土试件的氯离子扩散系数。随着水化反应的持续进行,荷载对混凝土试件的氯离子扩散系数的影响明显小于饱和盐溶液中的氯离子浓度和微观孔隙结构的变化对混凝土试件的氯离子扩散系数的影响,故而荷载的影响可以忽略。
对图2数据进行回归分析得到:
其中,a,b的取值见表3。
3理论模型的建立
基于Fick第二定律的基础上[5],将上面的公式(3)带入得到修改的模型,
式中,Cs表示距离浸泡表面x位置在t时刻的氯离子浓度,mol/m3;C0表示t=0时刻混凝
土材料内部初始氯离子浓度,mol/m3;Cs表示浸泡溶液中的氯离子浓度,mol/m3;D表示氯离子扩散系数,m2/s;t表示浸泡时间,s;x表示到达浸泡表面的距离,m;erfc为误差函数。
4数模有限元分析
根据有限元软件进行数值分析,得到在饱和盐溶液及饱和盐溶液与荷载共同作用下的氯离子在混凝土中的扩散过程。如图3所示。
数值模拟得出的氯离子渗透深度与试验中测定的氯离子深度比较接近;浸泡于饱和盐溶液与荷载共同作用下的混凝土试件的氯离子渗透深度略大于浸泡于饱和盐溶液中的混凝土试件的氯离子渗透深度;在混凝土试件同一深度的横截面上,浸泡于饱和盐溶液与荷载共同作用的混凝土试件的氯离子浓度值大于浸泡于饱和盐溶液中的混凝土试件的氯离子浓度值。
5结论
5.1混凝土中氯离子的扩散系数随着龄期的增加而降低。
5.2在混凝土试件同一深度的横截面上,浸泡于饱和盐溶液与荷载共同作用的混凝土试件的氯离子浓度值大于浸泡于饱和盐溶液中的混凝土试件的氯离子浓度值。
5.3荷载作用下的氯离子扩散系数比无荷载作用下的氯离子扩散系数稍大一些,扩散深度更深一些。
摘要：为考察荷载作用下氯离子的扩散性能,采用RCM法测定了不在条件下氯离子扩散系数,分析了荷载和未加荷载作用下的氯离子经时变化规律,运用Fick第二定律建立了数值模拟的模型,运用有限元进行了模拟分析,结果表明:荷载作用下的氯离子扩散系数比无荷载作用下的氯离子扩散系数稍大一些,扩散深度更深一些。
关键词：荷载,氯离子,扩散系数,混凝土
参考文献
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氯离子扩散模型 篇6
海洋环境中钢筋混凝土的破坏主要是钢筋受到离子侵蚀破坏钝化膜而锈蚀, 其中最主要的侵蚀离子是氯离子, 而混凝土保护层作为阻止离子侵蚀的第一道防线, 其作用至关重要, 如何提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力成为研究要点。
目前, 国内外学者对此方面进行了许多研究。周胜兵等人考虑时间因素, 得出混凝土中氯离子的扩散系数随着养护时间的延长而降低[1]。Tang等人通过大量试验, 研究得出不同类型混凝土的氯离子扩散系数与养护时间之间为指数函数关系[2]。姚昌建等人对工程现场混凝土内部氯离子的浓度进行了取样检测, 总结出混凝土内部氯离子扩散系数随深度的增加而增大[3]。但是大多数人只是研究长期侵蚀的混凝土, 对于早龄期混凝土的研究还是不足。
我国规范[4]规定的钢筋混凝土性能是以标准养护28 d龄期所测定数据为准, 但是在海工混凝土的施工过程中, 多数采取现场浇筑, 部分桥梁工程中, 甚至水下浇筑, 钢筋混凝土在刚成型后就受到周围环境的侵蚀, 根本满足不了试验所要求的养护条件, 当然也就达不到规范规定的性能要求。本文结合工程实践的需要, 模拟海洋中水下区、浪溅区环境的作用, 分别设置水中浸泡的标准养护、海水中浸泡标准养护、水中干湿循环养护和海水中干湿循环养护4种养护条件。通过测量混凝土在3 d之前, 7 d, 14 d, 21 d及28 d的氯离子渗透系数, 研究早龄期混凝土在不同养护条件下的氯离子渗透性能。
1 试验原材料及配合比
1.1 试验原材料
水泥:生华牌P.C32.5级水泥;细集料:福建产河沙, 连续级配, 各项指标符合标准的规定;粗集料:温州地区碎石5 mm~20 mm连续级配;水:自来水。
1.2 试验配合比
混凝土试样的水胶比分别为0.45, 0.40, 0.35, 试件分别在3 d之前, 7 d, 14 d, 21 d, 28 d的时间进行试验, 同一批试验的试件个数不少于3个。
具体的配合比如表1所示。
2 试验方案
2.1 模拟环境条件
溶液浓度:根据浙江地区的环境监测资料, 本实验将氯离子浓度扩大为5%;试验温度:夏季平均温度为26℃, 试验保持恒温26℃;试验湿度:浙江属沿海地区, 湿度大, 试验取85%的相对湿度。根据统计数据显示, 浙江沿海范围内夏季的月平均干湿比例为6.15∶1, 本试验取1 d为一个循环周期, 试件浸泡4 h后取出在26℃的恒温箱中干燥20 h。
2.2 试验步骤
本试验根据ASTM C1202的规定进行。混凝土试件的尺寸为φ100 mm×50 mm, 每个试验组制作3个试件, 试验数据取平均值。试件浇筑24 h后拆模, 侧面涂刷两道环氧树脂, 保留圆截面作为渗透面, 放入不同养护条件中养护至指定龄期。试验前将试件进行真空饱水, 饱水后将试件固定在试验槽内, 采用螺杆将两端试验盒子夹紧, 在阳极盒中注入0.3 mol/L的Na OH, 阴极盒中注入3%的Na Cl。试验过程中保持施加60 V的直流恒压电, 记录6 h内的电流值。
3 试验结论与讨论
3.1 混凝土的导电量
用上述方法测定不同水胶比、不同养护条件及不同养护龄期的混凝土氯离子导电量。试验结果见表2。
如表2所示, 各配合比混凝土试件的导电量随养护时间增加而降低, 1 d~7 d内下降速率较大, 7 d之后衰减速度减缓。特别是1 d~3 d龄期, 其导电量是28 d龄期的250%~550%, 原因是在混凝土养护初期, 水泥的水化作用还没有充分完成, 孔隙率较大, 氯离子容易渗入混凝土中;随着养护龄期的增长, 水化作用充分, 密实度提高, 混凝土的抗氯离子侵蚀能力得到加强。
3.2 混凝土的渗透系数
清华大学冯乃谦等人[6]得出导电量和氯离子扩散系数的关系:
其中, D为氯离子扩散系数, ×10-9cm2/s;Q为6 h总导电量, C。
根据表2的数据计算出氯离子的扩散系数, 以此判断氯离子的渗透性能。在相同水胶比, 不同养护条件下, 混凝土的氯离子扩散系数如图1所示。
C
干湿养护条件下对氯离子扩散系数有着明显的影响, 特别是在5%Na Cl溶液中干湿养护的混凝土试件, 其每个时段的扩散系数都比标准养护的试件要高出许多。例如水胶比为0.40时, 在5%Na Cl溶液中干湿养护的混凝土试件28 d扩散系数是水中干湿养护的142%, 是5%Na Cl溶液中标准养护的140%。其原因在于, Na Cl溶液进入混凝土表层, 在烘干情况下, 水分蒸发, 混凝土表层孔隙溶液中盐分增高, 再次浸泡时, 混凝土表层与内部将形成氯离子浓度差, 这将驱使氯离子向混凝土内部扩散。但是, 在水中干湿养护的试件对比水中标准养护的试件, 其28 d氯离子的扩散系数并没有显著的区别, 只是在早龄期有一定的差距, 说明干湿循环作用下并没有影响水中养护混凝土的抗氯离子渗透性能。
4 结语
1) 混凝土的氯离子扩散系数随养护时间的增长而减小, 但减小的幅度随时间延长在后期趋缓。
2) 在水中养护时, 干湿循环作用对混凝土抗氯离子侵蚀能力的影响很小, 与标准养护相差不大;但在含有氯离子的溶液中养护时, 由于干湿循环作用, 加速了氯离子对混凝土的侵蚀, 使氯离子扩散系数显著增大, 明显降低了混凝土的抗氯离子侵蚀能力。
3) 降低水胶比可显著降低混凝土的氯离子扩散系数, 提高抗氯离子侵蚀能力。
摘要：通过开展干湿循环条件下混凝土受氯离子侵蚀的试验, 对比了标准养护的试件, 分析了氯离子的扩散系数, 并研究了混凝土的早期抗氯离子侵蚀能力, 试验结果表明, 干湿循环条件下, 混凝土氯离子扩散系数明显升高, 抗氯离子侵蚀能力大大降低, 特别是在早龄期, 差异较大。
关键词：干湿养护,早龄期混凝土,氯离子,扩散系数
参考文献
[1]周胜兵, 周剑, 张俊芝, 等.混凝土氯离子扩散性能与时间关系的试验研究[J].混凝土, 2011 (4) :46-47.
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[6]冯乃谦, 邢锋.高性能混凝土的氯离子渗透性和导电量[J].混凝土, 2001 (11) :3-7.
[7]陈春雷, 邵林, 郑建军.干湿循环下混凝土中氯离子的一些扩散特性[J].混凝土, 2009 (3) :21-23.
[8]孙富学, 朱云辉, 陈海明.高强混凝土中氯离子扩散性能试验研究[J].中外公路, 2009 (3) :178-183.
氯离子扩散模型 篇7
在沿海地区,钢筋混凝土结构耐久性的主要影响因素是氯离子的侵蚀,海洋是氯离子的主要来源,对沿海钢筋混凝土结构而言,其构件一般直接或间接地遭受海水侵蚀,且与海风、台风、海雾、海潮、海砂中携带的氯离子含量有关,沿海混凝土中的氯离子浓度变化的影响因素复杂,因此研究氯离子浓度沿混凝土深度的变化规律对正确评估钢筋混凝土的耐久性具有重要意义。针对氯离子浓度在沿海混凝土中的分布规律,一些学者基于Fick第二扩散定律提出各自的混凝土中氯离子浓度变化的分析方法[1,2,3,4],但Fick第二扩散定律是基于饱和溶液浓度梯度的单一因素推导出来的,因此对于海洋干湿交替环境下氯离子在混凝土中的变化并不完全符合该定律。通过对Fick第二扩散定律的方程进行修正,可以得到更加符合试验结果的模型[2,5]。卫军通过最小二乘拟合出氯离子浓度随深度的变化特征[6],由于氯离子的浓度一般是按照进深7 mm取值,在保护层内氯离子浓度沿着深度的变化只能取若干有限的数据,不能使用统计方法来分析,而灰色系统理论擅长于少数据的分析[7],因此笔者采用灰色系统理论对混凝土中氯离子浓度沿着深度的变化进行模拟更加具有合理性。
2 灰色GM(1,1)模型介绍
灰色系统理论是由邓聚龙创立并由刘思峰等学者发展的一门新兴的边缘学科,灰理论极强的渗透性使其在不同领域有着广泛的应用[7]。GM(1,1)模型是灰理论的核心部分,其他类似模型均是基于其建立的。
设原始序列:
X(0)=(X(0)(1),X(0)(2),X(0)(3),…,X(0)(n))。
由
X(1)=(X(1)(1),X(1)(2),X(1)(3),…,X(1)(n))。
X(1)(k)可建立下述白化方程:
记参数列为
白化微分方程的解为:
称其为GM(1,1)的预测响应式,其还原值为:
或写作:
其中,
在GM(1,1)模型中,-a为发展系数,b为灰色作用量。-a实际上反映了
3 GM(1,1)模型的适用条件
3.1 准光滑性
任何一种理论只有满足其一定的前提条件才成立,灰色序列必须满足光滑性条件才适合GM(1,1)模型,即需要满足函数的光滑和连续的条件,因灰色序列的数据是离散的,不能求导,故序列的光滑性不能用导数确定。然而通过光滑比可以从另一个角度反映序列的光滑性,序列x的光滑比定义为:
若序列x满足:
ρ(k)∈[0,ε];k=3,4,…,n。
ε<0.5。
则称x为光滑序列。
3.2 准指数规律
准指数规律是灰色建模的基础,因此灰色序列x还需要满足准指数规律。对于灰色序列x:∀k,σ(k)∈[a,b],b-a=δ。称序列x具有绝对灰度为δ的灰指数规律;当δ<0.5时,称δ具有准灰指数规律。
4 工程实例分析
对嘉兴港一码头进行氯离子浓度检测,检测进深为7 mm,氯离子浓度由浅到深的分布为表1中的实测数据[8]。光滑比在[0,0.5]范围内时即为准光滑序列,灰指数在[1,1.5]范围内时即为满足准灰指数规律[7]。由表1中的光滑比、灰指数可知实测数据序列适用于GM(1,1)建模。计算后的各个数据见表1。实测值与模拟值的比较如图1所示。
注:残差平方和s=1.993 5×10-004,平均相对误差Delta=0.063 0
由表1,图1可知:平均相对误差为6%。由于残差尾段未出现4个连续同号情况,故不适合继续用残差模型来进一步调高精度,说明采用GM(1,1)模型模拟已经达到了最佳逼近的程度。
摘要：概述了混凝土中氯离子浓度变化模拟的意义,介绍了灰色GM(1,1)模型,分析了氯离子浓度沿深度变化的规律,证实了GM(1,1)模型应用于混凝土内氯离子浓度变化模拟的有效性。
关键词：氯离子,混凝土,灰色理论,模拟
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