一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法技术

本发明专利技术涉及一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，该方法以混凝土孔隙率为耦合变量建立混凝土中离子传输方程，其中，钙溶蚀用修正的固液平衡曲线来描述，考虑氯离子和硫酸根离子在扩散过程中竞争拮抗作用，并且采用修正后的氯离子的物理吸附和化学结合模型，用还原函数来量化硫酸根离子对氯离子化学结合影响；通过将钙离子、氯离子和硫酸根离子耦合传输过程使用COMSOL软件建模，获得不同侵蚀时间时混凝土中钙离子、氯离子和硫酸根离子游离态浓度，对钢筋混凝土构建初始锈蚀寿命进行预测。本发明专利技术能够更精确的测算氯离子扩散至钢筋表面引起钢筋锈蚀的临界阈值所需要的时间，进而得到更加可靠的钢筋混凝土构件的使用寿命预测结果。测结果。测结果。

【技术实现步骤摘要】
一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法


[0001]本专利技术涉及钢筋混凝土构件寿命预测
，尤其是涉及一种溶蚀
‑
硫酸盐
‑
氯盐侵蚀作用下钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法。

技术介绍

[0002]在海港码头、海底管道、跨海大桥等水利工程中，钢筋混凝土结构长期服役在海洋环境中，容易受到钙溶蚀和硫酸盐
‑
氯盐耦合侵蚀作用，导致混凝土结构性能劣化及服役寿命缩短。
[0003]钙溶蚀、硫酸根离子和氯离子侵蚀引起的钢筋混凝土劣化机理复杂，包括离子扩散、化学反应和力学损伤。外部环境中的氯离子经混凝土保护层渗透到钢筋表面，造成其钝化膜脱钝，钢筋发生锈蚀；而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，混凝土强度降低；同时降低了混凝土对氯离子的吸附结合能力，加快了混凝土孔隙中自由氯离子的扩散速度，进而加速了钢筋锈蚀破坏进程；硫酸根离子会与混凝土中的水泥水化产物反应形成石膏，而石膏的溶解度较小会先填充孔隙最终转化为AFt填充孔隙，这将导致它们各自扩散率下降；同时氯离子和硫酸根离子的化学结合过程存在竞争性拮抗作用，混凝土开裂前硫酸根离子对氯离子的扩散体现先加速后抑制的影响，进而影响钢筋的锈蚀进程。
[0004]目前，国内外许多学者开展了溶蚀
‑
氯盐、硫酸盐
‑
氯盐溶液浸泡混凝土试件的腐蚀实验，研究混凝土内钙离子、氯离子、硫酸根离子的扩散行为，并提出了相应的数值模型：基于混凝土为各向同性均质材料的假定和Fick定律提出了混凝土中氯离子的传输模型；基于混凝土中耦合氯化物侵蚀和钙浸出的机理，提出了氯离子和钙离子的耦合扩散模型；研究溶蚀和温度对硫酸盐引起混凝土劣化的影响，建立的外部硫酸盐侵蚀的化学
‑
转运
‑
损伤耦合模型；考虑硫酸盐侵蚀和温度对混凝土中氯化物扩散率的影响，建立的氯化物扩散的化学损伤
‑
传递模型等等。复杂的海洋环境中，钢筋混凝土结构长期受到钙溶蚀和硫酸盐
‑
氯盐耦合侵蚀作用，然而，上述溶蚀
‑
氯盐、溶蚀
‑
硫酸盐、硫酸盐
‑
氯盐耦合模型难以描述混凝土结构中氯离子在溶蚀和硫酸盐耦合作用下的扩散传输过程，并未涉及钙溶蚀的加速效应与硫酸根离子先促进后抑制作用的共同影响，也不能准确描述氯离子硫酸根离子之间的竞争拮抗作用，导致在溶蚀和硫酸盐
‑
氯盐侵蚀作用下混凝土中自由氯离子浓度计算不准确，由此很难得到可靠的服役寿命预测结果。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种溶蚀
‑
硫酸盐
‑
氯盐侵蚀作用下钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，包括以下步骤：
[0008]建立以混凝土孔隙率为耦合变量的混凝土中离子传输方程，所述方程包括钙离
子、氯离子和硫酸根离子的扩散传输方程以及混凝土中的孔隙率演变方程；其中，所述钙离子扩散传输方程采用钙的固液平衡方程进行修正来描述钙溶蚀；所述氯离子和硫酸根离子扩散传输方程考虑在扩散过程中竞争拮抗作用；
[0009]建立混凝土内部离子耦合传输模型，获得不同侵蚀时间时混凝土中钙离子、氯离子和硫酸根离子游离态浓度；其中，以与毛细孔隙率相关的混凝土中离子扩散系数计算模型为基础，结合钙溶蚀和硫酸侵蚀过程中孔隙率的变化规律，获得与钙溶蚀和硫酸盐侵蚀进程相关的混凝土中硫酸根离子、氯离子和钙离子的扩散系数；
[0010]基于所获得混凝土中离子游离态浓度，预测混凝土构件寿命。
[0011]进一步的，所述混凝土中钙离子的扩散传输方程表示如下：
[0012][0013]式中：为混凝土中钙离子的浓度；r为混凝土圆柱体的径向位置变量；为混凝土中的孔隙率；为钙离子在混凝土中的有效扩散系数；为混凝土中固相钙浓度；k1为硫酸根与氢氧化钙之间的化学反应速率常数；为混凝土中硫酸根离子浓度；t表示时间。
[0014]进一步的，所述钙离子的扩散传输方程，为了维持由水泥水化产物组成的固体钙和溶解在孔隙溶液中的钙离子之间的固液平衡状态，采用伯纳固液平衡曲线来描述固体氢氧化钙的溶解、C
‑
S
‑
H的逐渐损失和快速分解过程，如下所示：
[0015][0016]其中a、b、c、d取值如下：
[0017]c＝0,d＝0,
[0018]a＝0,b＝0,c＝1,d＝0,
[0019]a＝0,b＝0,c＝1,
[0020]式中：为混凝土中钙离子的浓度；C
CSH0
和C
CH0
是混凝土中CSH凝胶和CH的初始浓度；p和q分别是CSH凝胶完全溶出和氢氧化钙完全溶解后CSH凝胶开始溶出时钙离子的边界浓度；c
satu
是饱和混凝土中钙离子的初始平衡浓度。
[0021]进一步的，考虑到在含有硫酸盐和氯盐的环境中，硫酸盐和氯盐会影响孔隙溶液中的饱和钙离子浓度从而影响混凝土的溶蚀过程，故对CSH凝胶完全溶出和氢氧化钙完全溶解后CSH凝胶开始溶出时钙离子的边界浓度p、q以及饱和混凝土中钙离子的初始平衡浓度c
satu
修正为：
[0022][0023][0024][0025]式中：是硫酸根离子从外部进入的初始浓度；S0为加速溶液浓度常数。
[0026]进一步的，所述混凝土中氯离子的扩散传输方程表示如下：
[0027][0028]式中：为混凝土中氯离子的浓度；为混凝土中的孔隙率；r为混凝土圆柱体的径向位置变量；为氯离子在混凝土中的有效扩散系数；为混凝土中总结合氯离子浓度；
[0029]水泥水化产物对自由氯离子的结合主要包括CSH凝胶的物理吸附作用和单硫型硫铝酸钙AFm的化学结合作用：
[0030]考虑了钙溶蚀程度对氯离子结合能力的影响表示为：
[0031][0032]采用Langmuir等温线表示CSH凝胶物理吸附的氯化物和游离氯化物的关系：
[0033][0034]为考虑硫酸根离子对氯离子化学结合的影响的Freundlich结合等温线表征的化学结合模型：
[0035][0036]式中：为CSH凝胶对氯离子的物理吸附量；为AFm对自由氯离子的化学结合量；α、β、γ、τ为拟合系数；
[0037]随着硫酸根离子浓度不断增加，AFm化学结合的部分氯离子将被释放，导致孔隙溶液中游离氯离子浓度的增加；当时，混凝土中没有硫酸盐侵蚀，硫酸根离子对氯化物结合的影响很小，所以还原函数应为0；当时，有足够的硫酸盐释放结合的氯离子，因此还原函数应接近1：
[0038][0039]式中：m、n是与减速效应速度相关的参数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：建立以混凝土孔隙率为耦合变量的混凝土中离子传输方程，所述方程包括钙离子、氯离子和硫酸根离子的扩散传输方程以及混凝土中的孔隙率演变方程；其中，所述钙离子扩散传输方程采用钙的固液平衡方程进行修正来描述钙溶蚀；所述氯离子和硫酸根离子扩散传输方程考虑在扩散过程中竞争拮抗作用；建立混凝土内部离子耦合传输模型，获得不同侵蚀时间时混凝土中钙离子、氯离子和硫酸根离子游离态浓度；其中，以与毛细孔隙率相关的混凝土中离子扩散系数计算模型为基础，结合钙溶蚀和硫酸侵蚀过程中孔隙率的变化规律，获得与钙溶蚀和硫酸盐侵蚀进程相关的混凝土中硫酸根离子、氯离子和钙离子的扩散系数；基于所获得混凝土中离子游离态浓度，预测混凝土构件寿命。2.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，其特征在于，所述混凝土中钙离子的扩散传输方程表示如下：式中：为混凝土中钙离子的浓度；r为混凝土圆柱体的径向位置变量；为混凝土中的孔隙率；为钙离子在混凝土中的有效扩散系数；为混凝土中固相钙浓度；k1为硫酸根与氢氧化钙之间的化学反应速率常数；为混凝土中硫酸根离子浓度；t表示时间。3.根据权利要求2所述的一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，其特征在于，所述钙离子的扩散传输方程，为了维持由水泥水化产物组成的固体钙和溶解在孔隙溶液中的钙离子之间的固液平衡状态，采用伯纳固液平衡曲线来描述固体氢氧化钙的溶解、C
‑
S
‑
H的逐渐损失和快速分解过程，如下所示：其中a、b、c、d取值如下：c＝0,d＝0,a＝0,b＝0,c＝1,d＝0,a＝0,b＝0,c＝1,式中：为混凝土中钙离子的浓度；C
CSH0
和C
CH0
是混凝土中CSH凝胶和CH的初始浓度；p和q分别是CSH凝胶完全溶出和氢氧化钙完全溶解后CSH凝胶开始溶出时钙离子的边界浓度；c
satu
是饱和混凝土中钙离子的初始平衡浓度。4.根据权利要求3所述的一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，其特征在于，考虑到在含有硫酸盐和氯盐的环境中，硫酸盐和氯盐会影响孔隙溶液中的饱和钙离子浓度从而影响混凝土的溶蚀过程，故对CSH凝胶完全溶出和氢氧化钙完全溶解后CSH凝胶开始溶出时钙离子的边界浓度p、q以及饱和混凝土中钙离子的初始平衡浓度c
satu
修正为：
式中：是硫酸根离子从外部进入的初始浓度；S0为加速溶液浓度常数。5.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土构件服役寿命的预测方法，其特征在于，所述混凝土中氯离子的扩散传输方程表示如下：式中：为混凝土中氯离子的浓度；为混凝土中的孔隙率；r为混凝土圆柱体的径向位置变量；为氯离子在混凝土中的有效扩散系数；为混凝土中总结合氯离子浓度；水泥水化产物对自由氯离子的结合主要包括CSH凝胶的物理吸附作用和单硫型硫铝酸钙AFm的化学结合作用：考虑了钙溶蚀程度对氯离子结合能力的影响表示为：采用Langmuir等温线表示CSH凝胶物理吸附的氯化物和游离氯化物的关系：为考虑硫酸根离子对氯离子化学结合的影响的Freundlich结合等温线表征的化学结合模型：式中：为CSH凝胶对氯离子的物理吸附量；为AFm对自由氯离子的化学结合量；α、β、γ、τ为拟合系数；随着硫酸根离子浓度不断增加，AFm化学结合的部分氯离子将被释放，导致孔隙溶液中游离氯离子浓度的增加；当时，混凝土中没有硫酸盐侵蚀，硫酸根离子对氯化物结合的影响很小，所以还原函数应为0；当时，有足够的硫酸盐释放结合的氯离子，因此还原函数应接近1：
式中：m、n是与减速效应速度相关的参数，是混凝土外部环境中的硫酸盐浓度；为定量地描述混凝土中钙溶蚀程度对氯离子结合能力的影响，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵伟，李青铭，张文兵，史旦达，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：