水泥基材料中氯離子擴(kuò)散預(yù)測(cè)研究

孟 起 曾慶林

金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)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(huì)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(huì)加快腐蝕電池的作用速度，進(jìn)一步地加快鋼筋銹蝕進(jìn)程[1]。開展氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性問題的研究，對(duì)延長(zhǎng)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(guó)有關(guān)部門自20 世紀(jì)60 年代就開始了針對(duì)海港工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況的調(diào)查[2]。在對(duì)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(guó)外同樣面臨著鋼筋混凝土耐久性問題，形勢(shì)也非常嚴(yán)峻。澳大利亞Sharp[3]對(duì)62 座海岸混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕破壞。英國(guó)為解決海洋環(huán)境下混凝土建筑物的腐蝕與防護(hù)問題，每年需花費(fèi)接近20 億英鎊。

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

1 氯離子擴(kuò)散機(jī)理

擴(kuò)散指的是溶液中的離子，在化學(xué)勢(shì)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(kuò)散通量是否為一穩(wěn)定值，擴(kuò)散被分為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。

當(dāng)擴(kuò)散通量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其值的大小不再隨時(shí)間而發(fā)生變化，體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的擴(kuò)散過程為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，常用Fick 第一定律表示為:

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

當(dāng)擴(kuò)散通量是一個(gè)隨時(shí)間和位置變化的變量時(shí)，體系的擴(kuò)散過程稱為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，常用Fick 第二定律表示為:

2 氯離子擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型

氯離子擴(kuò)散模型是預(yù)測(cè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年研究，建立了相應(yīng)的氯離子擴(kuò)散模型。

2.1 通用氯離子擴(kuò)散模型

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

式中，D為氯離子擴(kuò)散系數(shù) （m2/s）；t為暴露時(shí)間（s）；x為擴(kuò)散深度（m）；C（x,t）為暴露時(shí)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(shí)間的氯離子擴(kuò)散模型

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

式中，m為齡期系數(shù)；D0為參考暴露時(shí)間t0時(shí)的參考瞬時(shí)擴(kuò)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(kuò)散預(yù)測(cè)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(duì)T在區(qū)間[tex,tex+t]上進(jìn)行積分，其中tex為養(yǎng)護(hù)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(yù)測(cè)模型:

3 模型優(yōu)缺點(diǎn)分析

上述模型的可行性已在后續(xù)的研究中得到驗(yàn)證，并被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)氯離子的擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)被假設(shè)為一定值，但是在實(shí)際擴(kuò)散過程中，由于持續(xù)的水泥水化反應(yīng)等因素的影響，擴(kuò)散系數(shù)是一變值。式（8）雖然解決了擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化的問題，但是也存在一定缺陷:首先，該模型主要針對(duì)的是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的混凝土，而在實(shí)際工程中，很難保證28 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；其次，模型中的參數(shù)和與養(yǎng)護(hù)齡期密切相關(guān)，不同的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)值，一旦養(yǎng)護(hù)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(jìn)行大量的試驗(yàn)和計(jì)算，耗時(shí)較長(zhǎng)。

4 改進(jìn)建議

氯離子的擴(kuò)散不僅受到暴露時(shí)間的影響，還會(huì)受到養(yǎng)護(hù)齡期、溫濕度等多重因素的影響，因此還需要進(jìn)一步研究這些因素對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響，建立多因素影響下的擴(kuò)散模型。同時(shí)，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(huì)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(dá)式，或者建立相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠有效地增加預(yù)測(cè)精度，提升預(yù)測(cè)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

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