干湿循环下氯离子在混凝土中的传输.pdf
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1、薛文等: 干湿循环下氯离子在混凝土中的传输 7 干湿循环下氯离子在混凝土中的传输 薛文 , 王卫仑 , 龚顺风 , 金伟良 ( 1 浙江大 学建筑工程学院 。 杭州3 1 0 0 5 8; 2 深期l 市土木工程耐久性重点实验室、 深圳大学土木工程学 院。 广 东深圳5 1 8 0 6 0) 【 摘要】 结合水分在混凝土中的渗流模型, 建立在浓度梯度和孔隙液饱和度梯度的耦合作用下的氯离子 在混凝土中的传输模型, 并采用真实海洋环境中干湿循环作用下的暴露试验数据验证了模型的准确性和适用性。 【 关键词】 干湿循环作用 ; 非饱和混凝土; 氯离子扩散 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【
2、文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 0 7 0 3 在氯盐侵蚀环境中, 干湿循环区域的混凝土往往是整 体结构中钢筋锈蚀最严重的部位。由于干湿循环的作用, 混凝土内部存在氯离子浓度场梯度、 孔隙液饱和场梯度和 温度场梯度, 氯离子在扩散和对流等多种复杂机制的耦合 作用下以较快的速度向混凝土内部渗透, 因此 , 干湿循环作 用下混凝土中的氯离子传输问题实质上是氯离子随孔隙液 在非饱和多孔介质中的传输问题, 对流和扩散是其运动的 主要方式 。 研究者为求形式上的简化 , 倾向于用 F i c k第二定律及 其恒定边界条件的解析解来
3、计算干湿循环作用下混凝土中 的氯离子传输问题。但采用该理论描述离子运动特征的前 提是孔隙液饱和, 即适用于静态溶液中由于氯离子浓度梯 度造成的离子扩散。当孔隙液在干湿循环的作用下处于非 饱和状态时, 直接采用 F i c k 第二定律分析检测数据时, 分析 结果与试验数据的相关性并不理想 J 。 1 理论分析 1 1 水分在混凝土内部的渗流模型 氯离子在混凝土内部通过孔隙液 中水分子的媒介作用 进行传输。为讨论干湿循环作用下氯离子在混凝土内部的 运动特征, 须首先讨论孔隙水的渗流模型。 干湿循环作用下, 水分在孔隙压力梯度的驱动下在混 凝土内部传输。根据 D a r c y 定律及 F i e
4、 k定律, 混凝土内部水 分的渗流量可表示为 】 : L =一D ( s ) g r a d s ( 1 ) 水分包括气体和液体两种状态, 水力扩散系数包括两 种状态 的贡献 J : D ( s )=D I ( s )+D ( s )= ( +K ) a p O s ( 2 ) 2 其 中 ,K i = ( f rd V ) = p o b Do 为确定水分扩散系数, 须研究孔隙压力P和孔隙饱和度 s 间的关系 。 1 2 孔隙压力P与孔隙水饱和度 s 关系的确定 干湿循环作用时, 孔隙水饱和度经时变化, 水分运动可 分为渗入和蒸发两个过程。 其中, 孔隙压力 P与孔隙水饱和 度 s 的关系可
5、表示为: 渗入过程: :1 一e x p ( 2 B C r c o ( 0 ) ) ( 3 ) 干燥过程: S d: 1一e x p ( 2 B C T e o s ( 8 ) ) 1 一I n ( 1- e x n ( 2 B C r c o ( e ) ) ) ( 4 ) 将( 3 ) 式、 ( 4 ) 式的反函数代入( 2 ) 式 , 得到以孔隙饱和 度为 自变量的水分扩散系数计算函数。 将干湿循环过程划 分为润湿阶段的水分渗入和干燥阶段的水分蒸发子过程: 润湿 阶段 : D 删( s ) =Dh s )+D佴( s )= ( h+ ) a p a s ( 5 ) 其中, Kl 。 1
6、-I n ( ) ( 1一 ) 基金项目】 深圳市土木工程重点实验室资助项目( S Z D C C E 0 9 0 2 ) k = 丽p o d# D o 1 2 t ( ) ( , ) +Z ( r 一 ) 、 ( e x p ( 詈 一 丝 呈 ! ( 旦 ) ( 1一s ) I n ( 1一s ) 十 燥 阶 段 : D岫 I ( J )=D】d ( J )+ d ( J )= ( +K , j ) a p a s ( 6 ) 其 中 , Kl d 5 也 o t P n( 1一( 1一l n ( e x p ( 1 a mb e r t w ( )+1 )+1 ) e x p ( 1
7、a mb e r t w( - s )十1 )十1 ) = po d p Do 1一 s ( ) 1+Z 2 ( r mt ) ex : f 墨 璺 塑( 旦 2 、p ) 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 6期 ( 总第 1 4 4期 ) 亚一 O s 墨 ! ( 2: ! ! r t 二 s e ) e x p ( 1 a m b e a w ( 一s e )+1 ) s。 I n ( 一e x p ( 1 a m b e n w ( 一s e )+1 )+1 ) ( 1 a mb e w ( 一s e )+1 ) ( 一e x p ( 1 a mb e n w ( 一s e )+1
8、)+1 ) W =l a m b e n w ( ) 是 方程 w e x p ( W )= 的解 J 。 1 3 氯离子在混凝土中的传输模型 氯离子在孔隙非饱和状态下的传输过程可以用对流扩 散方程描述 J : J c l =一D 。 。 g r a d ( C )+C J l ( 7 ) J l=一 ( s ) g r a d s , 为液态水分流速( m s ) ; ( s )是各 向同性的渗流系 数, 取D ( s )=K ( s ) o p O s , 则渗流速度可以表示为扩散格式 J 。=一D g r a d s _由于结合氯离子质量守恒, 可以得到: 渗入过程 : = d i v
9、( D s g r a d ( c )+c D g r a d ( s ) ( 8 ) U 干燥 过程 : =d i v ( D s g r a d ( c )+C DlD d g r a d ( s ) ( 9 ) U 式中, D 为 水 分 在 渗入 过 程 中 的水 力 扩 散 系数 ( m s ) ; D 为水分在渗出过程中的水力扩散系数( ) 。 方程( 8 ) 、 ( 9 )的初始条件和边界条件取决于混凝土结 构所处的环境作用。 在干湿循环过程中, 湿润过程的边界条 件相对简单, 在接触氯离子溶液后, 可以认为混凝土表面孔 隙中孔隙水达到饱和, 而孔隙水中氯离子浓度与环境水相 同;
10、 干燥过程中, 表层混凝土中孔隙水饱和度和氯离子浓度 变化与取决于混凝土表面水分蒸发率。 2 试 验研究 2 1 混凝 土材 料及 试件制作 制作试件用 的混凝土原材料产地均为 日本。水灰 比 5 5 5 , 抗压强度设计值 2 8 MP a 。配合 比表 1 所示。试件为 直径 1 0 0 mm, 高2 0 0 ra m的圆柱体试件。浇筑成型后所有试 件在平均气温为 2 3 C、 平均湿度为 R H 7 5 的室内环境中放 置 2 4 h的剩余试件继续在此环境下养护至 1 4 d龄期, 切去浮 浆表层 3 0 ra m厚混凝土层 , 以切割面作为暴露面, 吹干试件 表面, 为模拟近似一维方
11、向的扩散, 圆柱体侧面及浇筑底面 用环氧树脂材料封 闭。 表 1 试件混凝土配合比 W C 水泥 水 砂 粗骨料减水率 S l ( S +G ) 坍落度 k gm一 3 k g m 一 k g m 一 3 k g m 一 3 mm 5 5 5 3 l 8 1 7 6 8 4 8 9 5 0 3 1 8 4 7 9 1 8 c m 注: 粗骨料最大粒径2 0 ra m, 细骨料最大粒径 5 m m。 2 2暴露环境 表面涂封处理后 的试件被移人位于本东京湾沿岸 ( 北 纬3 5度、 东经 1 3 8度区域) 的暴露试验站内进行干湿循环试 验, 试验用水直接采用东京湾海水。干湿循环区域主要包括 模
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