改进的氯离子扩散模型

1、改进的氯离子扩散模型: A improving chloride diffusion model in concrete is formulated, in which the time dependency of chloride diffusion coefficient, chloride binding capacity of concrete, and influence of concrete self-defects are taken into account. According to the improving model, analysis on chloride tes

2、ts has been carried out. The results show that the improving chloride diffusion model can predict well the diffusion process of chloride ion in concrete.Keywords: chloride diffusion model; durability; corrosion; initial age of concrete1 引言 氯盐环境下，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响混凝土耐 久性的主要原因。氯离子在混凝土中的扩散过程可采用 Fick 第 二定

3、律描述。通过 Fick 第二定律建立混凝土中氯离子扩散模型 过程中引入的假设条件， 与实际情况并不完全符合， 导致结果存 在明显偏差。 氯离子扩散系数具有明显的时变特征， 并受材料组 分、水胶比、暴露环境和混凝土龄期等因素影响。目前，基于扩 散理论或试验结果， Mangat 和 Molloy1 、Thomas2 、Maage3 、 Tang Luping4 、Kwon5 、余红发 6 、薛鹏飞 7 等建立了基 于 Fick 第二定律的修正模型。由于对暴露开始时混凝土初始龄 期的影响及氯离子扩散系数随时间下降的有限性考虑不够， 上述 模型仍存在明显缺陷。针对已有模型的缺陷，建立了基于 Fick

4、定律的改进模型； 采用可靠性理论， 进行了氯盐环境下混凝土结 构寿命预测。2 考虑多影响因素的改正的氯离子扩散模型2.1 扩散系数的时变特性混凝土中氯离子扩散遵循 Fick 第二定律， 基本假定为： 1） 混凝土为半无限均匀介质； 2）暴露表面氯离子浓度为常数； 3） 混凝土为一维扩散； 4）氯离子不与混凝土结合； 5）扩散系数为 常数。根据上述基本假设， Fick 第二扩散定律可表示为 :（1） 式中，为暴露时间；为距离表面的距离；为时刻距离表面处 氯离子浓度，为氯离子扩散系数。考虑到氯离子从混凝土表面向内部扩散的过程中，氯离子 扩散系数随时间逐渐减少， 达到一定时间后， 随着混凝土胶凝材

5、料水化过程的完成， 氯离子扩散系数将保持为定值， 一般认为该 时间为 30 年。扩散系数可表示为 5:（2） 式中，为混凝土基准龄期；为时刻的氯离子扩散系数；为混 凝土水化完成时间，一般取 30 年；表示暴露时间。初始条件为时，；边界条件为时，。扩散方程解析解为式中，为混凝土内部初始氯离子浓度； 为混凝土暴露表面氯 离子浓度；为误差函数，；可表示为 :（4）令，为表观氯离子扩散系数，则可表示为（5a）（5b） 式中，为暴露开始时混凝土龄期。将式（ 4）带入式（ 2），则 Fick 扩散方程的解析解可转化 为:（6）2.2 影响氯离子扩散系数的因素 氯离子扩散过程中，部分氯离子将与混凝土结合；此

6、外， 混凝土通常存在微裂缝等各种缺陷，这与均匀介质的假设不符， 必须予以修正。1）氯离子结合能力 混凝土氯离子结合效应对氯离子稳态扩散没有影响，但会 直接导致氯离子扩散时间滞后效应的增加。根据质量守恒方程， 氯离子可分为自由氯离子和结合氯离子，即（7） 式中，、分别表示总氯离子、自由氯离子和结合氯离子。其中只有自由氯离子能导致钢筋锈蚀， Fick 扩散方程可表示为（9）（10）式中，定义为混凝土氯离子结合能力。式（ 9）可表示为 （11）（12） 式中，表示氯离子结合能力对扩散系数的影响系数。2）混凝土自身缺陷氯离子在带有缺陷介质中的扩散系数可采用劣化效应系数 进行修正 7 ，可表示为（13）

7、式中，K为考虑混凝土自身缺陷的氯离子扩散系数的劣化效 应系数。2.3 考虑多影响因素的修正的氯离子扩散模型考虑混凝土扩散系数的时变效应、氯离子结合能力、自身 缺陷等因素影响时，氯离子扩散模型可表示为（14）式中，为 t 时刻混凝土表观氯离子扩散系数， 为氯离子结合 能力影响系数，K为劣化效应系数。3 实例验证Tang Luping 对瑞典西海岸浸没在海水中的 2 种混凝土试件（胶凝材料为抗硫酸盐水泥 SPR C抗硫酸盐水泥SPRC+20粉煤灰 FA）1 年和 10年的氯离子含量的现场测试数据进行了研究。 材料参数见表 1， Cs、Ccr 均为胶凝材料质量的百分比。表1 材料参数 采用本文提出的改进模型进行了分析，结果见图1，图 2。从图1可以看出，采用抗硫酸盐水泥 SPRC勺混凝土，1年的预 测结果和实测结果吻合良好； 10年的预测结果除接近混凝土表 面区域外，均大于实测值，且预测时间超过 30 年后，相差较为 明显。从图2可以看出，对于采用抗硫酸盐水泥SPRC+20粉煤灰FA的混凝土，1年的预测结果和实测结果吻合良好；10年的预测结果在服役时间小于 20 年时，预测值小于实测值，预测时 间超过 20 年后，实测值小于预测值，但与预测值非常接近。图1 SPRC试件中的氯离子分布图2SPRC+F试件中的氯离子分布 总之，改进的扩散模型预测结果与试验值吻