海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結構耐久性研究

海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結構耐久性研究

0混凝土中氯離子擴散氯鹽污染下，氯離子侵蝕是影響混凝土耐久性的主要原因。通常情況下,氯離子在混凝土中的擴散或滲透可以用Fick第二定律來描述。由于氯離子對鋼筋混凝土結構的侵蝕是一個復雜的物理化學過程,其氯離子的擴散系數必然隨環(huán)境條件、材料組分及混凝土的初始齡期等眾多因素的變化而變化,因而使用常擴散系數的Fick第二定律來描述氯離子在混凝土中的擴散和積聚有很大的局限性,應該根據混凝土養(yǎng)護、結構所處環(huán)境、結構的齡期對此加以修正。Takewake和Mastumoto指出氯離子擴散系數對混凝土暴露在氯鹽環(huán)境下的時間具有依賴性。Bamforth等指出,各種早期性能相近的混凝土中,加有礦物摻合料的具有更好的長期性能,6年后這些混凝土的擴散系數將降低一個數量級。Tang和Nilsson得到了氯離子擴散系數隨時間按指數衰減的表達式。在研究氯離子擴散系數的基礎上,研究人員提出了多種氯離子在混凝土中擴散規(guī)律的計算模型。Collepardi等用Fick第二定律描述氯離子在混凝土中的擴散過程,得到了嚴格限制條件下的一維封閉解。孫偉等提出考慮多因素擴散模型的一維解析解。Suryavanshi提出了Fick第二定律的常擴散系數的二維解析解。田冠飛等提出了擴散系數具有時間依賴性的Fick第二定律的二維解析解。與一維擴散理論相比,二維擴散模型更接近工程實際。但這些二維擴散模型都沒有考慮初始齡期的影響。一般來說,實際鋼筋混凝土結構都具有復雜的幾何形狀和邊界條件,解析的方法在工程應用中具有較多的困難,人們通常采用有限元法等數值方法解決此類問題,氯離子在混凝土中的擴散和積聚問題也不例外。Funahashi等和施養(yǎng)杭等應用有限差分法,Sergi應用最小平方法(Least-squaresmethods)對氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律進行了一維數值模擬。在二維分析方面,已經有了一些初步的研究成果。M.Bitaraf等應用無網格法對氯離子侵入混凝土進行了二維數值模擬。作者建立了氯離子在混凝土中擴散的二維有限元數值模型。與一維數值模擬方法相比,二維數值模擬方法能更準確地描述氯離子在混凝土中的擴散行為,特別在結構角點等幾何構造較為復雜的區(qū)域,二維有限元具有更好的適應能力。但是上述二維分析的數值模型仍局限于常擴散系數情況?；诳紤]混凝土組分及初始齡期對氯離子擴散系數的影響,修正了Fick第二定律二維數學模型,并建立了解析解。在此基礎上提出了考慮混凝土組分及初始齡期影響的氯離子擴散有限元法的二維數值模型,討論了混凝土組分及齡期衰減系數、混凝土初始齡期等因素對混凝土中氯離子擴散規(guī)律的影響。1材料摻合料對齡期衰減系數的影響根據Fick第二定律的三個假定,即:①材料必須是均質的;②氯離子不與材料發(fā)生反應;③氯離子在材料中的擴散系數是恒定的,可以導出二維擴散方程為:式中:t——時間;C——點(x,y)處氯離子濃度;D——氯離子擴散系數。根據上述假定③,混凝土擴散系數D通常當作常數來處理,但這明顯不符合工程實際。1992年Tang和Nilsson利用快速擴散試驗測量氯離子擴散系數,得出了隨時間衰減的擴散系數表達式:式中:t0——混凝土準備暴露于氯鹽環(huán)境下時的齡期,即初始齡期;D0——與初始齡期t0時刻相對應的氯離子擴散系數;t′——混凝土的齡期;D(t′)——混凝土齡期為t′時的氯離子擴散系數;n——齡期衰減系數,是一個試驗常數,通常認為膠凝材料的性質尤其是添加了摻合料(如粉煤灰、礦渣等)會影響n值,水灰比則影響初始齡期(即28d齡期)擴散系數。Mangat和Molloy建議n值與混凝土水灰比的關系為:北美Life365和我國現行混凝土耐久性設計規(guī)范中此類問題、氯離子在混凝土中的擴散和積聚問題也不例外,均建議對波特蘭水泥混凝土n取0.2;對于摻粉煤灰和礦渣的膠凝材料,可根據粉煤灰摻量(FA)和礦渣摻量(SG),按式(4)計算n值:式(4)要求粉煤灰摻量小于50%,礦渣摻量小于70%,因而n≤0.60。Bamforth研究了不同摻合料對齡期衰減系數n的影響,并建議波特蘭水泥混凝土n值取為0.264,摻加粉煤灰和礦渣時,n值分別取0.699和0.621。M.Maage根據橋梁混凝土的測試結果認為n取值為0.64。歐盟Duracrete則對處于水下區(qū)普通水泥混凝土取n=0.3。由此可以看出,盡管混凝土構件和結構在不同工況和工作條件下取值相差很大,但總地說來,齡期衰減系數n與混凝土材料組分、水灰比、摻合料等因素相關。根據式(2)對式(1)加以修正,得到考慮時間依賴性的氯離子二維擴散方程:式中:erf(x)——誤差函數。2單元節(jié)點數法根據式(5)的氯離子擴散微分方程,可以建立混凝土中氯離子積聚及擴散的有限元計算模型。首先將二維平面域#離散為有限個單元,建立單元內部所積聚氯離子濃度的近似表達式:式中:Ni(x,y)——插值函數;n——單元的節(jié)點數。[N]=[N1,N2,L,Nn],{C}T=[C1,C2,L,Cn]利用伽遼金加權余量法可得方程:式中:上標撇號表示對空間坐標求一階偏導;上標點號表示對時間的一階導數。所以上式可寫為:這是一組以時間t為獨立變量的非線性微分方程組,其中:式中:ξ,η是自然坐標,當單元在x和y方向上的長度分別為lx、ly有:其中,(ξi,ηi)在節(jié)點1、2、3、4上分別取值為:(1,1)、(-1,1)、(-1,-1)、(1,-1)。將時間域[0,t]等距離剖分成m份,則有:則有:其中,[K]k=[K(tk)];θ為威爾遜常數,本文中取θ=1,即向后差分計算公式。3混凝土試件中氯離子分布的數值分析例1:根據文獻,選取一組添加II級粉煤灰的混凝土試件作為算例,在考慮混凝土組分及齡期等影響因素下,利用有限元數值模型分析氯離子在試件中的擴散規(guī)律。試件是直徑為100mm、厚度為50mm的圓柱體,依據北歐標準試驗方法NTBuild443,標準養(yǎng)護28d后,在氯鹽環(huán)境下浸泡35d后取出,測定試件中氯離子濃度。然后用有限元法對氯離子在混凝土試件中分布和擴散規(guī)律進行了數值模擬,采用60×2平面矩形單元的計算網格。根據文獻的數據分兩種情況用退化的二維有限元法模擬混凝土試件浸泡35d后氯離子在其中的分布,其一計算模型中取常擴散系數(n=0);其二取變擴散系數(n>0)。從圖1~4看出,用二維有限元數值模型模擬氯離子在混凝土中的擴散和積聚,考慮擴散系數有時間依賴性的計算結果更接近于試驗擬合結果。另外,由文獻的試驗數據和本文的數值模擬結果比較說明,在離混凝土表面1~2mm處的氯離子濃度測定數據因其離散性較大,不能視為合理的試驗和比較數據。例2:普通波特蘭混凝土試件,水灰比為0.55,尺寸為150mm×150mm×150mm,當混凝土齡期為28d時,將四個面用環(huán)氧樹脂封閉,只留下兩個相鄰的面,浸泡于海水中,邊界氯離子濃度為0.565%,擴散系數為9.38×10-12m2/s。這里我們采用二維數值分析方法,將試件沿一個平面離散為二維有限元模型。計算模型采用15×15的離散網格,時間步長取為36.5d(即0.1a),混凝土的初始齡期取為28d,齡期衰減系數取為0.2,對10a期氯離子在混凝土中的積聚和分布進行了數值模擬。圖5計算了沿平面正方形對角線上不同深度、不同時刻的氯離子濃度,計算結果和解析解做了比較。我們計算了混凝土試件氯離子濃度的二維分布的有限元解和解析解,分別如圖6、7所示。由圖5、6、7可以看出有限元解和解析解吻合得相當好,充分表明了二維有限元法所具有的較好的適應性和精度。我們利用同樣的二維有限元模型計算了齡期衰減系數改變時對氯離子擴散規(guī)律的影響,其中圖8計算了齡期衰減系數n變化時不同時間點上的氯離子分布;圖9計算了n變化時不同空間位置上的氯離子分布結果。從圖8和9中可以看出齡期衰減系數n的變化使得氯離子濃度無論在時間分布上還是在空間分布上都有較大差異。由于n的取值與混凝土組分密切相關,所以不同的混凝土組分可以明顯改變氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律,從而改變混凝土結構的耐久性。對于高性能混凝土,隨著粉煤灰等外摻料的增加,n值隨之提高,混凝土內部氯離子的濃度逐漸降低,其耐久性將明顯改善。因而在氯離子等高腐蝕離子環(huán)境下,混凝土結構宜采用高性能混凝土,以提高結構的耐久性。根據擴散系數公式(2),利用前面建立的二維有限元數值模型,可以計算混凝土的初始齡期t0對混凝土擴散的影響。圖10計算了齡期衰減系數n取0.2和0.64兩種情況下,試件內部50mm處的氯離子濃度的時間分布。為了比較混凝土初始齡期對氯離子擴散的影響,這里考慮兩種狀態(tài):狀態(tài)I中考慮混凝土的初始齡期,并取為28d;狀態(tài)II中不考慮初始齡期,即在公式(2)將初始齡期t0取為1。狀態(tài)II的計算結果明顯低于狀態(tài)I,表明了擴散系數模型中是否考慮混凝土初始齡期對氯離子擴散情況有顯著影響,不考慮混凝土的初始齡期明顯地低估了氯離子在混凝土中的擴散濃度。圖11計算了不同位置不同時刻的氯離子濃度,它表明初始齡期對氯離子在淺層混凝土中的擴散和積聚有重要影響。結合圖10和圖11可以看出,混凝土的初始齡期對混凝土結構淺層及其運行初期階段的氯離子擴散和分布規(guī)律有明顯影響,不考慮初始齡期將會低估混凝土中氯離子的積聚速度和濃度,對實際結構的耐久性造成不利影響。因而在理論和數值模型中應適當考慮混凝土初始齡期對氯離子擴散的影響。另外一方面,如果不考慮初始齡期,很容易在計算中造成混亂。例如,當計算模型中的時間單位取為年時,結果將和以天為單位的計算模型截然不同。此時盡管不考慮混凝土初始齡期的計算模型中仍取1.0,但其單位已經變成了年。4混凝土初始齡期的影響在考慮混凝土中氯離子擴散系數具有時間依賴性的基礎上,建立了混凝土中氯離子二維擴散規(guī)律的解析解,提出了混凝土擴散系數與齡期衰減系數、初始齡期、擴散時間等因素相關的氯離子擴散分析的二維有限元法數值模型。與當前常用的一維有限元法相比,二維有限元法不僅能更為準確地反映氯離子在混凝土構件中的分布,而且能更準確地計算角點等具有復雜幾何形狀處的氯離子聚集和擴散的規(guī)律。齡期衰減系數對氯離子擴散系數和氯離子在混凝土中的分布有較大影響。隨著n值的增大,混凝土試件中在同一時刻的氯離子濃度顯著降低。因而通過調節(jié)混凝土中摻合料的比例可以有效增大齡期衰減系數,從而