混凝土内修正的氯离子运移模型及耐久性分析

高子瑞,徐永福,李淑娥,陈志明

(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海　200240; 2. 南通市公路管理处,江苏 南通　226000)



混凝土内修正的氯离子运移模型及耐久性分析

高子瑞1,徐永福1,李淑娥2,陈志明2

(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240; 2. 南通市公路管理处,江苏 南通226000)

基于Fick第二定律,建立了混凝土内综合考虑扩散、电场迁移与结合作用的氯离子运移耦合模型,并通过已有试验数据对模型进行验证。以南通盐渍土环境为例,运用ComsolMultiphysics软件分析盐渍土内混凝土中氯离子的运移机制以及混凝土内氯离子随时间和空间的分布,研究不同强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土和粉煤灰混凝土抗氯盐侵蚀的能力。结果表明:盐渍土腐蚀环境下,普通硅酸盐水泥混凝土结构仅靠提高混凝土强度和保护层厚度不能满足高耐久性要求,采用粉煤灰混凝土能延长结构使用年限;在保证使用年限为100a的前提下,建议南通盐渍土环境中的钢筋混凝土结构采用粉煤灰混凝土,强度等级为C30、C40、C50和C60的混凝土结构保护层厚度分别为55mm、50mm、45mm和40mm。

氯离子运移模型;盐渍土;混凝土腐蚀;混凝土耐久性;ComsolMultiphysics软件;普通硅酸盐水泥混凝土;粉煤灰混凝土

钢筋混凝土结构物劣化破坏的主要原因是腐蚀。海洋工程中混凝土结构的耐久年限普遍小于20a,天津滨海盐渍土内的混凝土结构物一般使用7～8a便会出现严重腐蚀,盐湖盐渍土中使用年限则一般不足5a[1-2]。与海洋环境相比,盐渍土区域地下水中的侵蚀性化学成分含量较高,对钢筋混凝土的腐蚀更为剧烈[3]。目前,盐渍土环境下的钢筋混凝土结构抗氯离子腐蚀研究相对较少,且研究多是基于短时间的室内试验,没有综合考虑离子运移过程的时间依赖关系以及离子迁移受到的电迁移场作用和结合作用等。

张俊芝等[4]和杨跃等[5]利用试验数据分别得到了普通硅酸盐水泥混凝土和粉煤灰混凝土内的氯离子扩散系数与抗压强度之间的关系;张巨松等[6]研究了混凝土内粉煤灰和矿粉掺量对氯离子扩散系数的影响。上述研究是基于混凝土中氯离子扩散系数的研究,是短时间室内试验的结果,没有考虑离子迁移系数随时间的衰减变化,不能用于分析混凝土抗氯离子的侵蚀能力。Wang等[7]和Samson等[8]考虑了多重离子迁移的电势场影响,Boddy等[9]研究了混凝土内氯离子的多种迁移方式及影响因素,以上方法是基于理想状态的扩散,没有考虑扩散的时间和温度依赖关系,也没有综合考虑离子的运移机制,不适合工程应用。乔頔等[1]分析了混凝土内氯离子的不同运移机制对离子迁移的影响,但研究仅限于普通硅酸盐水泥混凝土。

笔者通过研究混凝土内氯离子运移机制,在Fick第二定律基础上考虑等效扩散系数,建立综合扩散作用、电势场作用与结合作用的耦合模型,并利用已有试验数据对模型进行验证。在南通盐渍土环境下,通过ComsolMultiphysics软件计算了氯离子在不同强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土和粉煤灰混凝土中随时间和空间的分布;基于结构物100a的使用寿命,探讨了南通盐渍土中混凝土种类、强度等级以及保护层厚度对混凝土抗氯离子侵蚀的影响。

1　氯离子的运移机制

1.1混凝土内氯离子运移基本方程

影响混凝土内氯离子运移的因素主要有:离子浓度差引起的扩散、混凝土固相对氯离子的结合、毛细水压力差引起的渗流以及电势场作用下的电迁移[10]。由于渗流可以让毛细水压力差很快达到平衡,故在结构寿命期内可以忽略毛细作用的影响。氯离子运移的基本方程为

(1)

式中:C——混凝土内t 时刻、x深度处的氯离子浓度;D——氯离子等效扩散系数。

式(1)能较好地描述氯离子的非稳态扩散过程,但该方程未考虑混凝土的结构形式、材料性质以及周边环境,因而得到的结果不可靠;在式(1)基础上,考虑采用等效扩散系数,Boddy等[9]提出了离子的扩散系数为

(2)

式中:Dref——温度Tref、时刻tref的扩散系数;m——扩散系数的时间衰减系数,普通硅酸盐水泥混凝土取0.34[11],粉煤灰混凝土取0.64[2];U——扩散过程活化能;T——绝对温度;R——气体常数。

1.2综合考虑电势场与结合作用的修正方程

采用CNN模型提取不断变化的拓扑信息中潜藏的模式特征,通过网络结构的选取、超参数的确定、训练算法的设计、性能的优化来构建模型.

混凝土与盐渍土之间存在浓度梯度的离子主要有Na+、K+、Cl-、OH-[9,12],由于浓度差异,不同离子会以不同的速率向混凝土内迁移,在这过程中移动速度较快的离子携带着多余的电量便会在混凝土内部产生电势场,电势场的存在将会影响氯离子的运移。在不考虑侵入离子间的化学作用,且假定混凝土孔隙饱和情况下,扩散电迁移场作用下的氯离子通量Jv简化为[8]

(3)

式中:Di、Ci、si——离子i的扩散系数、浓度、电荷数; F——法拉第常数; V——离子扩散产生的电势,可通过电荷的空间分布(式(4))定义。

(4)

式中:ρ——电荷密度;ε——混凝土介电常数;ω——区域内固定电荷密度。

混凝土固相能吸附孔隙中迁移的氯离子,除物理吸附外,氯离子与C3A发生化学反应。刘芳等[13]认为Langmuir等温线较适合自由氯离子与结合氯离子之间的关系。离子迁移过程中混凝土固相吸附Cl-与解吸附OH-的过程相互补偿[8],研究其他离子在混凝土中的运移很少,可不考虑结合作用对其他离子的影响。于是基于Langmuir等温线关系为

(5)

式中:Cb——结合氯离子浓度;Cf——自由氯离子浓度;α、β——经验系数,分别取1.67、4.08[14]。

综上,根据离子质量守恒,恒温条件,孔隙饱和,忽略不同离子间化学作用,且不考虑结合作用对其他离子的影响,考虑了扩散、电迁移场与结合作用的修正氯离子迁移方程为

(6)

式中:δi——结合作用影响系数,当离子为Na+、K+时δi=1。

2　有限元模型描述

南通市洋口港地区的盐渍土属于典型的滨海相盐渍土。近地表区域,因受到强烈的蒸发作用,含盐量较高,又因地下水流影响,沿地表向下盐渍土含盐量逐渐减小(图1),图1中 z为地下深度,p为离子的质量分数, C为氯离子质量浓度。盐渍土中Cl-与SO42+质量浓度平均值比在5～9之间[15],根据JTGD30—2015《公路路基设计规范》[16],盐渍土为典型的氯盐渍土。易溶盐的质量分数为0.4%～1.2%,氯盐质量分数为0.2%～0.6%[15],区域土为弱-中盐渍土,以弱盐渍土为主。实测氯离子质量浓度在0～2m范围波动幅度较大,2m以后变化较小,如图1(b)所示。当采用线性拟合,可以考虑采用放大1.45倍后的上限值,模型边界处的氯离子浓度随深度变化关系为

(7)

图1　南通滨海地区盐渍土盐含量分布Fig. 1　Distribution of salt content in saline soil in coastal area in Nantong City

2.2计算模型

基于修正氯离子运移方程,通过ComsolMultiphysics软件建立混凝土保护层中氯离子迁移模型。考虑到盐含量在地表向下2m范围内波动较大,且出现最大值,模型的尺寸设为80mm×2mm。鉴于混凝土内与表面处的离子浓度差异很大,加密边界附近的网格。模型的初始及边界条件为

(8)

式中:L——模型宽度;Ci,init、Ci,b——混凝土内离子i的初始浓度和边界浓度。

2.3计算参数

表1　模型计算参数Table 1　Calculated parameters of model

混凝土孔隙溶液为电中性平衡时,Na+与K+的初始浓度分别为OH-浓度的2/3和1/3[9];混凝土表面离子浓度设为南通滨海盐渍土环境下的离子浓度值,其中OH-浓度非常小[12],认为OH-浓度值为0。模型计算参数见表1。张俊芝等[4]拟合试验数据认为普通硅酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数与其抗压强度存在较好的相关性(式(9));杨跃等[5]认为粉煤灰混凝土内的氯离子扩散系数与抗压强度之间相关(式(10)),由式(9)、式(10)可得氯离子扩散系数。

(9)

Dref=(-0.054 24fc+5.586 86)×10-12

(10)

式中:fc——标准养护28d实测混凝土抗压强度,MPa。

3　计算结果分析

3.1普通硅酸盐水泥混凝土抗氯离子侵蚀能力

混凝土内的氯离子分布是分析盐渍土环境下混凝土结构耐久性的前提[17]。图2为模型上边界的氯离子浓度随时间和空间的分布,其中 l为距混凝土表面距离,CCl为氯离子浓度。由图2(a)可知,普通硅酸盐水泥混凝土,10a时,C30强度等级,混凝土内50mm深度处,氯离子浓度为93.9mol/m3,而C60强度等级, 最大为53.8mol/m3,降低了约1.75倍。说明提高混凝土抗压强度等级有利于延缓氯离子向混凝土内部的运移,这是因为混凝土强度等级越高,结构越密实,孔隙率越小,越能阻碍氯离子迁移。随着时间的增加,混凝土内的氯离子浓度增加十分迅速,20a时,C30、C60强度等级下,混凝土内50mm深度处的氯离子浓度已分别为154.2mol/m3和110.9mol/m3,而C60强度等级下,混凝土内60mm深度处仅为66.7mol/m3,相比50mm处降低了约1.67倍,说明随着保护层厚度的增加混凝土内部氯离子含量降低。

图2　混凝土模型上边界的氯离子浓度分布规律Fig. 2　Distribution of chloride ion concentration at upper boundary of concrete model

钢筋混凝土预测寿命从安全角度考虑为腐蚀破坏过程的初始阶段,即混凝土内钢筋表面达到氯离子临界浓度,钢筋腐蚀开始的时刻[12]。考虑到开始腐蚀时钢筋点腐蚀电位小于-200mV,此时氯离子临界浓度约为47.9mol/m3[12]。因此南通盐渍土环境,即便采用C60强度等级的普通硅酸盐水泥混凝土,保护层厚取50mm,其耐久年限只有10a左右,保护层厚取60mm,其耐久年限也仅有20a,这也说明了为什么在氯离子侵蚀环境,钢筋混凝土结构一般使用不到20a就出现严重腐蚀[1-3,12],所以盐渍土内的钢筋混凝土结构,仅靠提高普通硅酸盐水泥混凝土的强度等级及其保护层厚度,达不到结构要求的耐久年限。

3.2粉煤灰混凝土抗氯离子侵蚀能力

由图2(b)可知,掺用粉煤灰的C30混凝土, 10a时,混凝土内50mm深度处的氯离子浓度几乎为0;100a时,为53.2mol/m3,采用C60强度等级时,仅为9.8mol/m3。说明盐渍土环境,采用粉煤灰混凝土可以极大阻碍氯离子对混凝土的侵入。因为粉煤灰使混凝土初期的干燥收缩降低,粉煤灰中的微细颗粒使胶凝材料的颗粒级配得到改善,进而混凝土更加密实。粉煤灰中的火山灰反应生成CSH凝胶和钙矾石等水化产物,这些产物对氯离子有着较强的物理吸附能力,而且进一步填充混凝土的毛细孔,使孔隙细化,降低混凝土孔隙率,使得氯离子迁移速度降低[5]。同时,粉煤灰的初始固化能力较强,氯离子与粉煤灰中含量较高的Al2O3反应生成Friedel盐,可提高混凝土的固化吸附能力。

图3　粉煤灰混凝土使用寿命Fig. 3　Service life of fly ash concrete表2　模型验证计算参数Table 2　Calculated parameter values for model verification

出处试样Ci,b/(mol·m-3)Cl-Na+K+OH-王玲等[18]除冰盐区200150500刘卫民[19]天津滨海区408358500Thomas等[20]试块(HPC)300250500

3.3粉煤灰混凝土耐久年限分析

如图3所示,tc为混凝土结构物耐久年限,d为保护层厚度。随着混凝土强度提高以及保护层厚度增加,混凝土使用年限有着极大的提高。混凝土强度一定时,增加保护层厚度能极大的延长结构物的使用寿命。保护层厚度一定时,增大混凝土强度同样能延长结构物的使用寿命。例如,C30混凝土,采用保护层55mm时,混凝土结构预测使用寿命为138.5a;而保护层为40mm,采用C60混凝土时,为100a,因此为保证100a耐久年限,南通盐渍土环境下建议采用粉煤灰混凝土,在C30、C40、C50、C60强度等级下,保护层厚度分别为55mm、50mm、45mm、40mm。

4　模 型 验 证

如图4(a)所示,王玲等[18]对北京除冰盐环境下使用了18a的西直门立交桥桥基的混凝土取芯样,芯样为C45普通混凝土,对应的D28为4.31×10-12m2/s[4],m取0.34[2,11]。模型边界处的氯离子浓度可由实测浓度分布曲线反推,约为200mol/m3。刘卫民[19]对天津滨海浪溅区使用了11a的天津港码头7～8段进行梁板混凝土构件取样分析,取样为C35粉煤灰混凝土,对应D28为3.69×10-12m2/s[5],m取0.64[2,11],模型边界处氯离子浓度约为408mol/m3。如图4(b)示,Thomas等[20]把混凝土试块暴露在英国南部海岸的海水浪溅区8a,试块为C50粉煤灰混凝土,对应D28为2.87×10-12m2/s[5],m取0.64[2,11],模型边界处氯离子浓度约为300mol/m3。参数见表2。图4表明,模型计算的结果与已有试验数据有较好吻合。

图4　氯离子浓度计算结果与实测结果对比Fig. 4　Comparison of calculated and measured chloride ion concentrations

5　结　　论

a. 得到南通盐渍土环境下氯离子在混凝土内随时间和空间的分布,混凝土内氯离子的侵入量随着时间增加而逐渐增长,随着距混凝土表面距离增加迅速减少。

b. 采用C60高强普通硅酸盐水泥混凝土,保护层厚60mm时,混凝土结构的抗氯离子侵蚀年限也达不到20a,因此盐渍土环境仅靠提高普通硅酸盐水泥混凝土强度等级及保护层厚度不能满足混凝土高耐久性要求,而采用粉煤灰混凝土则可以延长混凝土结构使用年限。

c. 随着粉煤灰混凝土强度等级的提高、混凝土保护层厚度的增大,混凝土内部氯离子侵入量急剧减少,混凝土结构的耐久寿命有明显提高。

d. 在保证100a使用年限的前提下,南通盐渍土腐蚀环境中的钢筋混凝土结构建议采用粉煤灰混凝土,在C30、C40、C50、C60强度等级下,保护层厚度分别应为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

江苏省交通科学研究计划项目(2015T18)

高子瑞(1990—), 男, 江苏徐州人, 硕士研究生, 主要从事盐渍土工程性质研究。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