CN101183059A - 一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氯盐侵蚀混凝土耐久性评估方法，尤其是一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法。通过选取与研究对象具有相似环境条件的已服役多年的第三方参照物；收集研究对象与第三方参照物在服役初始时刻各影响因素的边界条件及研究对象资料，通过对第三方参照物在现场环境下和与其相对应混凝土试件在人工气候模拟实验室的性能随时间的劣化关系式进行对比、分析，建立人工模拟环境和现场环境下混凝土结构耐久性性能劣化的时间相似关系式；根据研究对象的边界条件与相对应混凝土试件在加速条件下得到的耐久性各参数，利用两种环境下混凝土结构耐久性性能劣化的相似关系式，对研究对象进行在现场条件下的耐久性评估和寿命预测。

Description

一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法

技术领域

本发明涉及一种氯盐侵蚀混凝土耐久性评估方法，尤其是一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法。

背景技术

目前，国内外混凝土结构耐久性试验传统的试验方法主要有现场取样检测、现场暴露试验和室内加速试验等形式。

现场取样检测是混凝土结构耐久性测试的基本手段，通常在混凝土结构现场进行取样、检测，并对取得试样在室内进行化学分析，进而得到氯离子的侵蚀情况；现场暴露试验可以在现场暴露试验站专门设置一些实际结构(或构件)用以取样、检测，其环境条件和受力状态都非常真实，同时，在现场暴露试验站放置混凝土试件来模拟混凝土结构构件用以定期检测结构的耐久性，也具有现场检测和室内加速试验不可替代的作用；室内加速试验是采用恒电流通电法和干湿循环法等加速手段来模拟现场暴露环境，使有害介质迅速侵入混凝土内部致使钢筋快速锈蚀，由此来研究混凝土结构的破坏特征和结构性能演变。

现场试验方法，包括现场取样试验和现场暴露试验比较直观，容易被人接受，试验数据经过修正后可以直接用于寿命预测；但缺点是试验开支大、周期漫长，往往需要在较长时间内对混凝土结构进行多次取样检测才能得到结构随时间劣化的动态规律，进而实现对结构的耐久性评估和寿命预测。

室内加速实验可以模拟影响混凝土结构性能的各种环境因素，如海水浸泡、雨淋、日晒、冻融、日光辐射、温度、湿度变化等，考虑气候环境、侵蚀环境与力学环境的相互作用，并可实现人工加速模拟，它可以在较短时间周期内测定混凝土结构中的氯离子含量、钢筋锈蚀情况等，由于直接测定混凝土试件，这样比起现场检测操作简单、受外界气象条件干扰少并且节约成本等优点，缺点是恰当合适的模拟方法选择很重要，如果方法选择不当，则会导致钢筋混凝土构件在模拟实验条件中与在真实使用环境中的劣化发展机理可能有很大差异。

对于沿海混凝土结构在两种试验条件(现场试验与室内加速试验)的相似性研究，仅仅依靠传统的相似理论是无法解决的。首先，沿海混凝土结构耐久性受到多种影响因素影响，如混凝土材料组成、胶凝材料类别、水胶比、养护条件、保护层厚度、环境条件、气象条件、钢筋发生锈蚀的氯离子阈值、暴露时间、结构受力状态等。各种影响的机理多在试验研究探讨之中，目前得到的大多是经验公式，无法导出模型试验的相似准则。其次，由于现场环境因素复杂，环境因素的统计资料通常无法全面收集，在进行环境模拟时，无法确保各种不同环境因素的相似关系相同。第三，在时间上无法实现传统的相似，环境加速的依据通常是统计意义上的平均值，并且对各因素也无法实现相似系数完全相等。最后，室内加速试验无法实现与现场试验条件的完全加速模拟，通常的加速试验只是对现场试验的某些参数进行加速模拟。

尽管室内加速实验与现场试验用于混凝土结构耐久性研究已经很长时间，但是目前仍然存在室内加速试验结果无法与现场试验方法的检测结果联系起来的问题，如何把室内加速试验的试验结果应用于现场实际并进行耐久性评估和寿命预测，这已成为混凝土结构耐久性研究的一个关键问题。

发明内容

本发明提出一种通过室内加速试验和现场试验相结合的基于多重环境时间对混凝土结构耐久性评估方法。

一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法，包括如下步骤：

(1)确定影响氯盐环境条件下混凝土结构耐久性的影响因素：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(2)选取与研究对象具有相似环境条件的已服役多年的第三方参照物；

(3)收集研究对象与第三方参照物在服役初始时刻各影响因素的边界条件：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(4)收集研究对象的环境、气象、水文统计资料，计算温度、湿度、环境氯离子浓度的平均值与不同标高处的海水浸润时间比例；

(5)对环境条件进行人工气候加速模拟，确定人工气候模拟实验室温度、湿度、溶液氯离子浓度与干湿时间比例；

(6)设计制作与研究对象、第三方参照物相同配合比的各类混凝土试件，并置于人工气候模拟实验室进行加速劣化试验；

(7)定期对第三方参照物已服役若干年后的混凝土结构/构件进行耐久性现场检测，得到混凝土结构在现场条件下随时间的劣化关系式：

$y_{n{t}_n}=y_{{\mathrm{nt}}_{n0}}\·f_n(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c,t_n)---\left(1\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_ntn为现场环境下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

y_ntn0为现场环境下混凝土结构在初始时刻t_n0时的耐久性性能；

t_n为现场条件下结构的暴露时间；

f_n(·)为现场条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(8)定期对人工气候模拟实验室中各类混凝土试件进行耐久性检测，得到混凝土结构在现场条件下随时间的劣化关系式：

$y_{{\mathrm{nt}}_a}=y_{{\mathrm{nt}}_{a0}}\·f_a(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c{,t}_a)---\left(2\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_nta为加速条件下混凝土结构在t_a时刻的耐久性性能；

y_nta0为加速条件下混凝土结构在初始时刻t_a0时的耐久性性能；

t_a为加速劣化条件下的时间；

f_a(·)为加速条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(9)通过对第三方参照物在现场环境下和与其相对应混凝土试件在人工气候模拟实验室的性能随时间的劣化关系式(1)、(2)进行对比、分析，建立人工模拟环境和现场环境下混凝土结构耐久性性能劣化的时间相似关系式：

式中，y_ntn′为现场条件下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

g_an(·)为混凝土结构在加速劣化与现场自然条件下随时间劣化的相似转换关系；

(t_a，t_n0，t_a0)为混凝土结构在加速条件与现场条件劣化的时间转换系数；

(10)根据研究对象的边界条件与相对应混凝土试件在加速条件下得到的耐久性各参数，利用两种环境下混凝土结构耐久性性能劣化的相似关系(3)式，对研究对象进行在现场条件下的耐久性评估和寿命预测。

所述的表面氯离子浓度C_s的获取宜采用取芯/粉测试，并进行氯离子滴定试验等技术手段测定氯离子浓度，通过对氯离子侵蚀曲线进行最优拟合到；

所述的氯离子扩散系数D_Cl为表观氯离子扩散系数，宜采用取芯/粉测试，并进行氯离子滴定试验等技术手段测定氯离子浓度，通过对氯离子侵蚀曲线进行最优拟合得到；

所述的混凝土材料的水胶比w/b为浇注混凝土采用的实际水胶比及掺合料组成，宜由竣工资料查询得到；

所述的龄期系数n为氯离子扩散系数随暴露时间的衰减指数，宜通过测得的不同暴露时间的氯离子扩散系数拟合得到；

所述的选取与研究对象具有相似环境条件的已服役多年的第三方参照物：为广义概念，如果研究对象为服役多年的建筑物，第三方参照物可以选取为研究对象自身；如果研究对象是新建结构，第三方参照物则要求与研究对象具有相同或相似的环境条件，通常毗邻研究对象，宜选取具有不同服役年限的多处构筑物；

所述的收集研究对象的环境、气象、水文统计资料包括建筑物朝向，海水盐度/海水中氯离子浓度，大气中氯离子浓度、盐雾含量、沉降量，最低气温、最高气温、平均气温，主风向、风力，降雨量、降雨持续时间，潮汐、波浪资料；

所述的对环境条件进行人工气候加速模拟，确定人工气候模拟实验室温度、湿度、溶液氯离子浓度与干湿时间比例：对不同环境分区确定不同的加速环境参数，在水下区确定溶液氯离子浓度与溶液温度，在潮差区确定溶液氯离子浓度、溶液温度与干湿时间比例，在浪溅区确定溶液氯离子浓度、溶液温度、环境湿度与干湿时间比例，在大气区确定盐雾含量、盐雾沉降量、温度、湿度与干湿时间比例；

所述的设计制作与研究对象、第三方参照物相同配合比的各类混凝土试件：设计制作的混凝土试件包括与研究对象和第三方参照物两类，试件配合比与研究对象和第三方参照物相同外，混凝土各组分材料宜与研究对象和第三方参照物相同。

本发明多重环境时间的相似性试验方法以相似理论为基础，通过引入第三方参照物，利用传统的现场试验与室内加速试验，提出了一种通过室内加速试验对现场结构/构件进行耐久性评估的新方法。本发明不但可以建立室内加速试验和现场试验之间的联系，而且可以通过短期的室内加速试验和现场试验在较短时间内实现对在建、新建、已建建筑物实现耐久性评估和寿命预测。

附图说明

图1为多重环境时间的相似性试验方法的原理图。

具体实施方式

本发明多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土试验方法，根据本发明的实现步骤，试验采取现场试件试验、第三方参照物取样试验和室内加速试验相结合的方法，第三方参照物的选择是本发明建立相似关系的关键，也是区别于其他试验方法的特点。

包括如下步骤：

(1)确定影响氯盐环境条件下混凝土结构耐久性的影响因素：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(2)选取与研究对象具有相似环境条件的已服役多年的第三方参照物；第三方参照物选取位于研究对象附近的某海港，服役时间分为1年、4年和16年三个时间段的四个码头。

(3)收集研究对象与第三方参照物在服役初始时刻各影响因素的边界条件：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(4)现场试件试验：收集研究对象的环境、气象、水文统计资料，计算温度、湿度、环境氯离子浓度的平均值与不同标高处的海水浸润时间比例；将与研究对象相对应的海工混凝土试件摆放在与工程结构部位相对应的现场环境中，并对现场摆放的混凝土试件进行定期取样检测，一般情况为每3个月取一次样，至少为8次，以获取试件在现场海洋环境中腐蚀规律。

(5)对环境条件进行人工气候加速模拟，确定人工气候模拟实验室温度、湿度、溶液氯离子浓度与干湿时间比例；

(6)设计制作与研究对象、第三方参照物相同配合比的各类混凝土试件，试验根据海港码头的配合比资料在实验室制作混凝土试件，与研究对象各结构部位相对应的混凝土试件在施工现场制作，以确保试件与研究对象完全一致，并置于人工气候模拟实验室进行加速劣化试验；

(7)第三方参照物试验：试验对工程附近的四个海港码头进行定期(与现场试件试验相一致)现场取样检测，分析不同环境分区、不同结构部位、不同服役年限结构在现场环境条件下的腐蚀情况，进而得到结构构件随时间的劣化规律：

$y_{{\mathrm{nt}}_n}=y_{{\mathrm{nt}}_{n0}}\·f_n(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c,t_n)---\left(1\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_ntn为现场环境下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

y_ntn0为现场环境下混凝土结构在初始时刻t_n0时的耐久性性能；

t_n为现场条件下结构的暴露时间；

f_n(·)为现场条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(8)室内加速试验：将与研究对象相对应的海工混凝土试件及与第三方参照物相对应的混凝土试件分区域在人工气候模拟试验室加速模拟现场海洋环境进行快速腐蚀，通过对试件进行定期取样检测得到试件在加速环境中的腐蚀规律，得到混凝土结构在现场条件下随时间的劣化关系式：

$y_{{\mathrm{nt}}_a}=y_{{\mathrm{nt}}_{a0}}\·f_a(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c,t_a)---\left(2\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_nta为加速条件下混凝土结构在t_a时刻的耐久性性能；

y_nta0为加速条件下混凝土结构在初始时刻t_a0时的耐久性性能；

t_a为加速劣化条件下的时间；

f_a(·)为加速条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(9)通过对第三方参照物在现场环境下和与其相对应混凝土试件在人工气候模拟实验室的性能随时间的劣化关系式(1)、(2)进行对比、分析，建立人工模拟环境和现场环境下混凝土结构耐久性性能劣化的时间相似关系式：

式中，y_ntn′为现场条件下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

g_an(·)为混凝土结构在加速劣化与现场自然条件下随时间劣化的相似转换关系；

(t_a，t_n0，t_a0)为混凝土结构在加速条件与现场条件劣化的时间转换系数；

(10)通过对第三方参照物在现场环境的腐蚀规律与相对应混凝土试件在室内加速环境中腐蚀规律进行对比分析，可以得到混凝土结构在不同服役环境的时间相似关系；通过现场试件试验检测分析得到的混凝土结构在短期内的腐蚀情况与室内加速试验相对应试件的腐蚀规律进行对比，也可以得到研究对象在短期内的时间相似关系，用这个短期的相似关系对上述不同服役环境的相似关系进行修正，得到适用于研究对象的基于环境时间的多因素相似关系。根据这个多因素相似关系与加速试验室对研究对象的检测结果便可对研究对象采取的各种耐久性措施进行耐久性评估。

Claims (5)

1.一种多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土试验方法，包括如下步骤：

(1)确定影响氯盐环境条件下混凝土结构耐久性的影响因素：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(2)选取与研究对象具有相似环境条件的已服役多年的第三方参照物；

(3)收集研究对象与第三方参照物在服役初始时刻各影响因素的边界条件：表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_Cl、混凝土材料的水胶比w/b、氯离子阈值[Cl^-]、龄期系数n、混凝土保护层厚度c；

(4)收集研究对象的环境、气象、水文统计资料，计算温度、湿度、环境氯离子浓度的平均值与不同标高处的海水浸润时间比例；

(5)对环境条件进行人工气候加速模拟，确定人工气候模拟实验室温度、湿度、溶液氯离子浓度与干湿时间比例；

(6)设计制作与研究对象、第三方参照物相同配合比的各类混凝土试件，并置于人工气候模拟实验室进行加速劣化试验；

(7)定期对第三方参照物已服役若干年后的混凝土结构/构件进行耐久性现场检测，得到混凝土结构在现场条件下随时间的劣化关系式：

$y_{{\mathrm{nt}}_n}=y_{{\mathrm{nt}}_{n0}}\·f_n(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c,t_n)---\left(1\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_ntn为现场环境下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

y_ntn0为现场环境下混凝土结构在初始时刻t_n0时的耐久性性能；

t_n为现场条件下结构的暴露时间；

f_n(·)为现场条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(8)定期对人工气候模拟实验室中各类混凝土试件进行耐久性检测，得到混凝土结构在现场条件下随时间的劣化关系式：

$y_{n{t}_a}=y_{{\mathrm{nt}}_{a0}}\·f_a(C_s,D_{\mathrm{Cl}},w/b,[{\mathrm{Cl}}^{-}],n,c,t_a)---\left(2\right)$

式中，C_s、D_Cl、w/b、[Cl^-]、n、c为步骤(1)所述的混凝土结构耐久性的各影响因素；

y_nta为加速条件下混凝土结构在t_a时刻的耐久性性能；

y_nta0为加速条件下混凝土结构在初始时刻t_a0时的耐久性性能；

t_a为加速劣化条件下的时间；

f_a(·)为加速条件下混凝土结构耐久性性能的劣化关系；

(9)通过对第三方参照物在现场环境下和与其相对应混凝土试件在人工气候模拟实验室的性能随时间的劣化关系式(1)、(2)进行对比、分析，建立人工模拟环境和现场环境下混凝土结构耐久性性能劣化的时间相似关系式：

式中，y_ntn′为现场条件下混凝土结构在t_n时刻的耐久性性能；

g_an(·)为混凝土结构在加速劣化与现场自然条件下随时间劣化的相似转换关系；

(t_a，t_n0，t_a0)为混凝土结构在加速条件与现场条件劣化的时间转换系数；

(10)根据研究对象的边界条件与相对应混凝土试件在加速条件下得到的耐久性各参数，利用两种环境下混凝土结构耐久性性能劣化的相似关系(3)式，对研究对象进行在现场条件下的耐久性评估和寿命预测。

2.如权利要求1所述的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法，其特征在于：所述的表面氯离子浓度C_s的获取采用取芯/粉测试，并进行氯离子滴定测定氯离子浓度，通过对氯离子侵蚀曲线进行最优拟合得到。

3.如权利要求1所述的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法，其特征在于：所述的氯离子扩散系数D_Cl为表观氯离子扩散系数，采用取芯/粉测试，并进行氯离子滴定测定氯离子浓度，通过对氯离子侵蚀曲线进行最优拟合得到。

4.如权利要求1所述的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法，其特征在于：所述的混凝土材料的水胶比w/b为浇注混凝土采用的实际水胶比及掺合料组成。

5.如权利要求1所述的相似性氯盐侵蚀混凝土评估方法，其特征在于：所述的龄期系数n为氯离子扩散系数随暴露时间的衰减指数，通过测得的不同暴露时间的氯离子扩散系数拟合得到。

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