一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种溶蚀‑氯盐作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，可描述溶蚀‑氯盐侵蚀水环境下混凝土中钙离子和氯离子的扩散行为，定量计算溶蚀‑氯盐作用下混凝土中自由氯离子和结合氯离子浓度。首先，建立了氯盐‑溶蚀作用下混凝土中自由和结合氯离子浓度的表达式；然后根据Fick定律、质量守恒定律和孔溶液中钙的固液平衡关系建立饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型，并利用有限差分法进行数值求解，获得不同侵蚀时间时混凝土中自由和结合氯离子浓度。本发明专利技术解决了复杂水环境下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的计算问题，对溶蚀‑氯盐侵蚀水环境下混凝土中钢筋锈蚀破坏的预测和混凝土结构服役寿命的评估具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法
本专利技术属于混凝土结构耐久性分析领域，具体涉及一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法。
技术介绍
在水坝、港口、输水水槽和桥梁等水利工程中，混凝土结构长期受到环境水中氯盐和钙溶蚀的耦合侵蚀，导致混凝土结构的耐久性下降，服役寿命缩短。其中，环境水中氯离子经混凝土保护层渗透到钢筋表面并达到一定浓度后，就会造成钢筋表面钝化膜脱钝，钢筋发生锈蚀。钙溶蚀会导致混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙发生溶解，混凝土孔隙率增加，不仅降低了混凝土对氯离子的吸附结合能力，还加快了混凝土孔溶液中自由氯离子浓度的上升速度，会引起钢筋提前锈蚀破坏。据调查，在美国，早在1975年因钢筋锈蚀引起的结构劣化就产生了高达700亿美元的经济损失；在日本，因钢筋据锈蚀而破坏的结构大约是所有钢筋混凝土结构的21.4％；在我国，有些上世纪80年代修建的海港工程，使用15年左右就发生严重的钢筋锈蚀现象。而水环境下混凝土结构发生钙溶蚀破坏的工程实例也很多，例如，美国的科罗拉多拱坝和鼓后池拱坝均是由于混凝土结构的钙溶蚀破坏导致坝体耐久性退化；在我国，水环境下的坝体混凝土和基岩都面临着溶蚀问题。例如，南告和水东大坝建成投入使用后，在较短时间内就出现了钙溶蚀问题；广州的抽水蓄能电厂二期投入运行时间才两年，隧洞混凝土衬体表面就遭受到严重的流水侵蚀。目前，针对水环境下混凝土的氯盐侵蚀问题，Collepardi基于混凝土为各向同性均质材料的假定，根据Fick定律提出了混凝土中氯离子的传输模型；Mangat认为混凝土中氯离子扩散系数是随时间变化的，并基于Fick第二定律建立了时变氯离子扩散系数的一维传输方程。针对水环境下混凝土的溶蚀问题，Mainguy等研究了水泥基材料溶蚀程度随着钙溶蚀量的变化规律，并根据钙的固液平衡特点，提出了以固相钙为控制参数的钙溶蚀模型；Gerard等基于固相钙和孔溶液中钙离子之间的热力学平衡关系，建立了水泥基材料的溶蚀动力学模型。复杂水环境下，混凝土结构长期受到溶蚀和氯盐侵蚀的耦合作用，然而，上述单一氯离子传输模型或单一钙溶蚀模型难以描述复杂水环境下溶蚀和氯盐侵蚀的耦合作用，导致难以准确计算溶蚀-氯盐作用下混凝土中自由和结合氯离子的浓度，影响到混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的评估和混凝土结构的寿命预测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，解决了复杂水环境下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的计算问题，对溶蚀-氯盐侵蚀水环境下混凝土中钢筋锈蚀破坏的预测和混凝土结构服役寿命的评估具有重要意义。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，步骤如下：步骤1，分别确定养护成型后的混凝土中的氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率；步骤2，根据混凝土中C-S-H凝胶初始含量，确定C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；步骤3，根据混凝土中单硫型水化硫铝酸钙初始含量，确定单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；步骤4，根据C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系以及单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系，确定氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式；步骤5，基于Fick定律、质量守恒定律和孔溶液中钙的固液平衡关系，考虑混凝土中C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙对氯离子的吸附结合作用，结合氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式，建立饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型；步骤6，利用有限差分法数值求解所建立的饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型，获得不同侵蚀时间时混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)建立了溶蚀-氯盐作用下混凝土中钙离子和氯离子的耦合传输模型，考虑了钙溶蚀和氯盐侵蚀之间复杂的交互作用，能够模拟复杂水环境下混凝土中钙离子和氯离子的扩散行为；(2)提出了氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，充分考虑了钙溶蚀引起的混凝土中C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的溶解、混凝土孔隙率的增加对混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的影响，能够更加准确地定量计算氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度。附图说明图1为本专利技术的氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法流程图。图2为氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度的时空分布图。图3为氯盐-溶蚀作用下混凝土中结合氯离子浓度的时空分布图。图4为氯盐-溶蚀作用下混凝土中C-S-H凝胶物理吸附氯离子浓度的时变图。图5为氯盐-溶蚀作用下混凝土中单硫型水化硫铝酸钙化学结合氯离子含量的时变图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，本专利技术所述的一种溶蚀-氯盐作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，可描述溶蚀-氯盐侵蚀水环境下混凝土中钙离子和氯离子的扩散行为，定量计算溶蚀-氯盐作用下混凝土中自由氯离子和结合氯离子浓度。首先，确定养护成型后的混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率；并建立氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由和结合氯离子浓度的表达式；根据Fick定律、质量守恒定律和孔溶液中钙的固液平衡关系建立饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型，并利用有限差分法数值求解，获得不同侵蚀时间时混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度。具体如下：步骤1：分别确定养护成型后的混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率，具体如下：在混凝土养护过程中，混凝土中的水泥发生水化反应生成氢氧化钙、C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙，这些水化产物的含量直接影响到溶蚀-氯盐侵蚀水环境下混凝土中钙离子和氯离子的扩散行为。养护成型后的混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙的初始含量为：式中，CCH0为混凝土中氢氧化钙的初始含量，CCSH0为混凝土中C-S-H凝胶的初始含量，CAFm0为混凝土中单硫型水化硫铝酸钙的初始含量，mol/m3；ρc为单位体积混凝土中水泥质量，g/m3；为水泥中硅酸三钙的百分含量，为水泥中硅酸二钙的百分含量，为水泥中石膏的百分含量；为硅酸三钙的摩尔质量，为硅酸二钙的摩尔质量，为石膏的摩尔质量，g/mol；αw为养护成型后的混凝土中水泥的水化程度；养护成型后的混凝土中水泥的水化程度按其最大水化程度计算：αw＝0.239+0.745tanh[3.62(w/c-0.095)](2)式中，w/c为水灰比；混凝土的初始孔隙率为：式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，其特征在于，步骤如下：/n步骤1，分别确定养护成型后的混凝土中的氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率；/n步骤2，根据混凝土中C-S-H凝胶初始含量，确定C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；/n步骤3，根据混凝土中单硫型水化硫铝酸钙初始含量，确定单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；/n步骤4，根据C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系以及单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系，确定氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式；/n步骤5，基于Fick定律、质量守恒定律和孔溶液中钙的固液平衡关系，考虑混凝土中C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙对氯离子的吸附结合作用，结合氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式，建立饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型；/n步骤6，利用有限差分法数值求解所建立的饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型，获得不同侵蚀时间时混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，分别确定养护成型后的混凝土中的氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率；
步骤2，根据混凝土中C-S-H凝胶初始含量，确定C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；
步骤3，根据混凝土中单硫型水化硫铝酸钙初始含量，确定单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系；
步骤4，根据C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系以及单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系，确定氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式；
步骤5，基于Fick定律、质量守恒定律和孔溶液中钙的固液平衡关系，考虑混凝土中C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙对氯离子的吸附结合作用，结合氯盐-溶蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度的表达式，建立饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型；
步骤6，利用有限差分法数值求解所建立的饱水条件下混凝土中氯离子和钙离子的耦合传输模型，获得不同侵蚀时间时混凝土中自由氯离子浓度和结合氯离子浓度。


2.根据权利要求1所述的一种氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，其特征在于，步骤1中，分别确定养护成型后的混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和单硫型水化硫铝酸钙的初始含量及混凝土的初始孔隙率，具体如下：
养护成型后的混凝土中氢氧化钙、C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙的初始含量分别为：



式中，CCH0为混凝土中氢氧化钙的初始含量，CCSH0为混凝土中C-S-H凝胶的初始含量，CAFm0为混凝土中单硫型水化硫铝酸钙的初始含量，mol/m3；ρc为单位体积混凝土中水泥质量，g/m3；为水泥中硅酸三钙的百分含量，为水泥中硅酸二钙的百分含量，为水泥中石膏的百分含量；为硅酸三钙的摩尔质量，为硅酸二钙的摩尔质量，为石膏的摩尔质量，g/mol；αw为养护成型后的混凝土中水泥的水化程度；
养护成型后的混凝土中水泥的水化程度按其最大水化程度计算：
αw＝0.239+0.745tanh[3.62(w/c-0.095)](2)
式中，w/c为水灰比；
混凝土的初始孔隙率为：



式中，fVc为混凝土中水泥净浆的体积分数。


3.根据权利要求1所述的氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，其特征在于，步骤2中，根据混凝土中C-S-H凝胶的初始含量，确定C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系，具体如下：



式中，为C-S-H凝胶的物理吸附氯离子含量，mol/m3；CCSH0为混凝土中C-S-H凝胶的初始含量，mol/m3；Cf-Cl为混凝土孔溶液中自由氯离子浓度，mol/m3；ζCSH为溶蚀作用下混凝土中C-S-H凝胶的溶蚀系数；



式中，Cf-Ca为混凝土孔溶液中钙离子浓度，mol/m3；为混凝土孔溶液中钙离子的饱和浓度，mol/m3；x1为C-S-H凝胶溶解为硅胶的钙离子浓度，mol/m3。


4.根据权利要求1所述的氯盐-溶蚀作用下混凝土中氯离子浓度的计算方法，其特征在于，步骤3中，根据混凝土中单硫型水化硫铝酸钙的初始含量，确定单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量与混凝土孔溶液中自由氯离子浓度之间的关系，具体如下：



式中，为单硫型水化硫铝酸钙的化学结合氯离子含量，mol/m3；CKs为单硫型水化硫铝酸钙与氯离子发生反应后生成Kuzel盐的含量，mol/m3；CFs为Kuzel盐与氯离子发生反应后生成Friedel盐的含量，mol/m3；ζKs为溶蚀作用下混凝土中Kuzel盐的溶蚀系数；ζFs为溶蚀作用下混凝土中Friedel盐的溶蚀系数；









式中，CAFm0为混凝土中单硫型水化硫铝酸钙的初始含量，mol/m3；Cf-Cl为混凝土孔溶液中自由氯离子浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向南，左晓宝，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32