CN102937566B - 一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，包括以下步骤：（1）确定混凝土的氯离子扩散系数；（2）确定混凝土结构中氯盐侵蚀的典型部位；（3）计算氯离子从暴露面侵入混凝土内部的深度；（4）确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区域。该方法能准确识别氯盐侵蚀下混凝土结构中氯离子一维、二维和三维扩散典型区域，确定耐久性控制区，据此建立氯离子扩散和分布的计算模型，可有效解决采用混凝土结构原尺度计算模型导致的计算规模大、耗时久、难以在常规个人计算机和普通服务器上实现等缺陷，具有较高的计算精度和效率。
Description
一、技术领域
本发明涉及海洋、化冰盐等氯盐侵蚀环境下混凝土结构耐久性分析技术领域，具体是一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法。
二、背景技术
暴露于氯盐环境中的混凝土结构由于氯离子的侵蚀而发生耐久性破坏，大大影响了建筑物的使用寿命。准确获得混凝土中氯离子的扩散和浓度分布规律是分析和评估氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性和服役寿命的关键。
迄今为止，对氯盐侵蚀环境下混凝土结构的耐久性分析和设计大都采用提高混凝土性能、加大混凝土保护层厚度等技术措施，而对混凝土结构外形和几何尺寸的影响考虑不足。但是，在实际工程中，混凝土结构不同部位常常具有不同的几何外形，使得不同部位混凝土中氯离子的扩散维数、分布范围也互不相同，所以氯离子浓度增加的速度也各不相同，从而导致混凝土结构中某些区域发生氯离子富集现象；如不能及时识别并采取有效的技术措施，该区域的钢筋将先于其他区域发生腐蚀破坏，严重时将导致混凝土结构主体因承载力降低而破坏，造成重大损失。混凝土结构中氯离子显著富集的部位和区域称为混凝土结构耐久性控制区。尽管采用常规的有限元等数值方法或商业通用软件，按照结构原型几何尺寸建立计算模型，简称原尺度模型，也能够确定氯离子在混凝土结构中的扩散过程和浓度分布规律，并在此基础上识别出混凝土结构耐久性控制区，但该方法通常需要对时间域和空间域双重离散，导致计算规模大、耗时久等缺陷，不便于在常规混凝土结构设计中采用。因此，如何建立一种简便实用方法，确定受氯盐侵蚀的混凝土结构耐久性控制区，并据此建立相应的几何尺寸较小的数值分析模型，对开展混凝土结构耐久性分析、设计和维护加固等工作具有重要的现实意义和学术价值。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，该方法通过识别受侵蚀的混凝土结构典型部位、判别氯离子扩散维数和扩散区域，确定混凝土结构耐久性控制区，为计算混凝土结构中氯离子扩散和浓度分布提供规模小、精度和效率较高的计算模型，为氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性分析、设计和加固奠定基础。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，包括以下步骤：
1、确定混凝土的氯离子扩散系数：通过常规方法，得到结构所用混凝土材料的氯离子扩散系数，
2、确定混凝土结构中氯离子侵蚀的典型部位：根据待建工程的设计图纸或在役工程结构的实际几何外形，选取：1）氯离子一维扩散部位，通常位于仅与一个暴露面相邻的部位，该部位只受到来自于一个暴露面的氯离子影响，2）氯离子二维扩散部位，通常位于二个暴露面夹角的临近部位，该部位同时受到来自于两个暴露面的氯离子影响；3）氯离子三维扩散部位，通常位于三个暴露面相交点的临近部位，该部位同时受到来自于三个暴露面的氯离子影响，
3、计算氯离子从暴露面侵入混凝土内部的深度：利用氯离子扩散场补偿长度计算公式计算氯离子从暴露面进入混凝土内部的深度Lc，单位为mm；式中，t为混凝土结构暴露于氯离子环境的时间，单位为年a；D为混凝土的氯离子扩散系数，单位为mm2/a；k为氯离子扩散场补偿系数，取值为3.5~4.5，
4、确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区域：根据步骤2确定的氯离子一维、二维和三维扩散区，结合步骤3确定的氯离子扩散深度Lc，形成混凝土结构耐久性控制区域的计算模型。在此基础上开展计算，容易得到混凝土结构中氯离子浓度分布规律。
所述氯盐侵蚀环境包括混凝土结构所处的海洋环境、滨海环境、含有氯盐的地下环境及化冰盐腐蚀性环境。
所述氯离子扩散场补偿长度是指氯离子向混凝土内部扩散的深度，用公式计算。
本发明的突出优点在于：
首次提供一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，能够准确识别氯盐侵蚀下混凝土结构中氯离子一维、二维和三维扩散典型区域，形成混凝土耐久性控制区，利用该控制区建立混凝土中氯离子扩散和分布的计算模型，有效解决采用混凝土结构原尺度模型导致的计算规模大、耗时久、难以在常规个人计算机和普通服务器上实现的缺陷，具有离散未知量少、计算规模小、精度高、应用方便的优点。
四、附图说明
图1是氯离子从工程结构的三个暴露面向混凝土内部扩散示意图。
图2是氯离子一维、二维、三维和无扩散区位置及形状示意图。
图3是氯离子一维扩散计算模型。
图4是氯离子二维扩散计算模型。
图5是氯离子三维扩散计算模型。
图6是矩形截面形状及氯离子扩散示意图。
图7是多边形截面形状及氯离子扩散示意图。
图8是矩形柱氯离子一维、二维和无扩散区位置及形状示意图。
图9是多边形柱氯离子一维、二维和无扩散区位置及形状示意图。
图10是多边形截面钝角区域氯离子氯离子二维扩散计算模型。
图11是多边形截面锐角区域氯离子氯离子二维扩散计算模型。
图12是一维扩散耐久性控制区域氯离子浓度分布图。
图13是二维扩散耐久性控制区域氯离子浓度分布图。
图14是三维扩散耐久性控制区域氯离子浓度分布图。
图15是耐久性控制区域和原尺度模型的氯离子分布对比图。
图16是三维原尺度模型的氯离子浓度分布图。
图17是矩形截面一维耐久性控制区域的氯离子浓度分布图。
图18是矩形截面二维耐久性控制区域的氯离子浓度分布图。
图19是多边形一维耐久性控制区域的氯离子浓度分布图。
图20是多边形钝角二维耐久性控制区域的氯离子浓度分布图。
图21是多边形锐角二维耐久性控制区域的氯离子浓度分布图。
图22是矩形截面耐久性控制区域和原尺度模型的氯离子分布对比图。
图23是多边形耐久性控制区域和原尺度模型的氯离子分布对比图。
图24是矩形截面原尺度模型的氯离子浓度分布图。
图25是多边形截面原尺度模型的氯离子浓度分布图。
五、具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
实施例1
本实施例为确定某海洋混凝土结构耐久性控制区域的方法的具体实例，包括以下步骤：
1、测定混凝土的氯离子扩散系数D
某海洋工程混凝土柱，几何尺寸为1m×1m×5m，通过钻芯取样得到其样本试件，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）中的RCM法测得混凝土的氯离子扩散系数为3.6×10-12m2/s=113.5mm2/a。
2、确定混凝土结构中氯盐侵蚀的典型部位
图1是该混凝土柱的氯离子扩散示意图，海水中氯离子将沿着柱子的两个侧立面和顶面侵入混凝土中，并持续向内部扩散。采用本发明方法可以将混凝土柱划分为图中标识为“N”的无扩散区、标识为“1D”的一维扩散区、标识为“2D”的二维扩散区和标识为“3D”的三维扩散区，如图2所示。从图中等号左侧可以清晰看出四种不同扩散区域在原结构中的位置，从等号右侧可以看出拆分出来的四种不同扩散区域的具体形状。
3、计算氯离子从暴露面侵入混凝土内部的深度
该混凝土柱暴露于海洋环境下50年时，利用补偿长度公式计算得到混凝土柱中氯离子的扩散深度Lc=263.66~339mm。
4、确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区域
根据本发明方法步骤2确定的一维、二维、三维扩散区的形状，结合步骤3确定的氯离子扩散深度Lc，可以形成该混凝土柱耐久性分析的三类控制区域，其计算模型如图3、图4和图5所示，其中图3对应的一维扩散控制区计算模型中竖向长度为LC，图4对应的二维扩散控制区计算模型为边长为LC的正方形，图5对应的三维扩散控制区计算模型为边长为LC的正立方体。
实施例2
某个处于设计阶段的混凝土结构，其混凝土柱有两种类型，一种为矩形截面，截面几何尺寸为2m×2m，高度为5m，如图6所示；另一种为多边形截面，截面形状如图7，其中∠A=∠B=∠D=∠E=α=150°，∠C＝∠F＝β＝60°，AB=1800mm,AB与ED之间的距离为1200mm。混凝土柱的上下底面都与结构的其他部位紧密相连，只有柱侧面暴露于氯离子侵蚀环境中，混凝土柱的耐久性控制区域的确定包括以下步骤：
1、确定混凝土的氯离子扩散系数D
根据混凝土设计资料确定氯离子扩散系数为1.4×10-12m2/s=44.15mm2/a。
2、确定混凝土结构中氯盐侵蚀的典型部位
由于只有柱面暴露于氯盐环境中，因此氯离子将沿柱面四周进入混凝土内部，并发生二维扩散。采用本发明方法可以将混凝土柱划分为图中标识为“N”的无扩散区、标识为“1D”的一维扩散区和标识为“2D”的二维扩散区，如图8和图9所示。从图中等号左侧可以清晰看出三种不同扩散区域在原结构中的位置，从等号右侧可以看出拆分出来的三种不同扩散区域的具体形状。
3、计算氯离子从暴露面侵入混凝土内部的深度
混凝土柱暴露于氯离子环境100年，利用补偿长度公式计算得到混凝土柱中氯离子的扩散深度Lc=232.56~299.05mm。
4、确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区域
（1）矩形截面：根据本发明方法步骤2确定的一维、二维扩散区的形状，结合步骤3确定的氯离子扩散深度Lc，可以形成该混凝土柱耐久性分析的两类控制区域，其计算模型如图3和图4所示。
（2）多边形截面：据本发明方法步骤2确定的一维、二维扩散区的形状，结合步骤3确定的氯离子扩散深度Lc，可以形成该混凝土柱耐久性分析的两类控制区域，其一维计算模型如图3所示；二维计算模型的确定方法详述如下：
i）对于钝角附近的二维扩散控制区，这里以钝角A为例说明确定该控制区计算模型的方法。在通过点A的两个边上分别确定两点G、H，且式中α为直线AG和AH的夹角；分别过点G、H作直线AG和AH的垂线GG′、HH′，长度为Lc。连接G′H′，则五边形AGG′H′H即为钝角A附近的二维扩散控制区的计算模型，如图10所示；
ii）对于锐角附近的二维扩散控制区，这里以锐角C为例说明确定该控制区计算模型的方法。在通过点C的两个边上分别确定两点I、J，且式中β为直线CI和CJ的夹角；分别过点I、J作直线CI和CJ的垂线IK、JK交于点K。则四边形CIKJ即为锐角C附近的二维控制区域的计算模型，如图11所示。
实施例3
针对实施例1所述的海洋混凝土结构，采用本发明方法确定混凝土结构耐久性控制区，并形成相应的计算模型，在此基础上使用有限元法商业软件ANSYS计算控制区中氯离子分布的等浓度图，如图12、图13、图14所示；并分别求得一维控制区中的氯离子浓度分布和二维、三维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布，如图15所示。为了验证本发明方法的有效性，利用ANSYS计算该混凝土结构原尺度模型中氯离子分布的等浓度图，如图16所示，并分别求得一维控制区中的氯离子浓度分布和二维、三维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布，如图15所示。从中可见，两种方法计算得到的一维控制区中的氯离子浓度分布和二维、三维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布基本相等。为了更全面比较结构原尺度模型计算结果与本发明方法的计算结果，从图16中相应位置分别截取一维、二维和三维控制区的氯离子分布图，它们与本发明方法通过控制区计算模型得到的相同位置处的氯离子分布图完全一致，分别如图12、图13和图14所示。由此验证了本发明方法具有很高的计算精度。
同时通过图2可以看出，利用本发明专利确定的耐久性控制区中，氯离子浓度分布具有典型性，一维、二维和三维扩散控制区的氯离子浓度分布分别代表了混凝土结构中全部一维、二维和三维扩散区域的氯离子分布规律。由此验证了以下结论：耐久性控制区的氯离子扩散和分布规律代表了整个混凝土结构中的氯离子扩散和浓度分布规律。
由于混凝土结构耐久性控制区的几何尺寸远小于混凝土结构的原尺度模型，所以利用前者建立的有限元模型离散未知量大大减小，计算时间远小于原尺度有限元模型。两种模型的计算时间对比如表1所示，从中可以看出，本发明方法的计算耗时远小于原尺度有限元模型，证明了本发明方法具有远高于原尺度有限元模型的计算效率。
表1计算时间（s）
针对实施例2所述的海洋混凝土结构，采用本发明方法分别确定矩形截面和多边形截面混凝土柱的耐久性控制区，并形成相应的计算模型，在此基础上使用有限元法商业软件ANSYS计算控制区中氯离子分布的等浓度图，如图17（矩形）、图18（矩形）、图19（多边形）、图20（多边形）和图21（多边形）所示；并分别求得一维控制区中的氯离子浓度分布和二维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布，分别如图22（矩形）和图23（多边形）所示。为了验证本发明方法的有效性，利用ANSYS分别计算矩形截面和多边形截面混凝土柱原尺度模型中氯离子分布的等浓度图，如图24（矩形）和图25（多边形）所示，并分别求得一维控制区中的氯离子浓度分布和二维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布，如图22（矩形）和图23（多边形）所示，从中可以看出，两种方法计算得到的一维控制区中的氯离子浓度分布和二维控制区中角部平分线上氯离子浓度分布基本相等。进一步地，为了全面比较结构原尺度模型计算结果与本发明方法的计算结果，从图24（矩形）和图25（多边形）相应位置分别截取一维和二维控制区的氯离子分布图，它们与本发明方法通过控制区计算模型得到的相同位置处的氯离子分布图完全一致，如图17（矩形）、图18（矩形）、图19（多边形）、图20（多边形）和图21（多边形）所示。再次验证了本发明具有很高的计算精度。
由于混凝土结构耐久性控制区的几何尺寸远小于混凝土结构的原尺度模型，所以利用前者建立的有限元模型离散未知量大大减小，计算时间远小于原尺度有限元模型。两种模型的计算时间对比如表2和表3所示，从中可以看出，本发明方法的计算耗时远小于原尺度模型。再次证明本发明方法具有远高于原尺度有限元模型的计算效率。
表2矩形截面混凝土柱计算时间(s)
值得进一步说明，由于本发明方法确定的耐久性控制区域的尺寸取决于补偿长度，与混凝土结构的空间形状和几何尺寸关系不大，因此，即使对于大型复杂混凝土结构，表1、表2和表3中各控制区模型的计算时间变化不大。而采用原尺度模型时，计算时间与混凝土结构的空间形状和几何尺寸密切相关。本发明专利实例中为了便于比较，均采用混凝土构件代替混凝土结构进行分析，对于实际的大型混凝土结构，如果采用原尺度模型，计算时间将随着结构的空间尺寸的增大而快速增加，甚至超出常规计算机和普通服务器的计算能力。
Claims (2)
1.一种确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1 确定混凝土的氯离子扩散系数：通过常规方法，得到结构所用混凝土材料的氯离子扩散系数，
1.2 确定混凝土结构中氯盐侵蚀的典型部位：根据待建工程的设计图纸或在役工程结构的实际几何外形，选取：1）氯离子一维扩散部位，通常位于仅与一个暴露面相邻的部位，该部位只受到来自于一个暴露面的氯离子影响，2）氯离子二维扩散部位，通常位于二个暴露面夹角的临近部位，该部位同时受到来自于两个暴露面的氯离子影响；3）氯离子三维扩散部位，通常位于三个暴露面相交点的临近部位，该部位同时受到来自于三个暴露面的氯离子影响，
1.3 计算氯离子从暴露面侵入混凝土内部的深度：利用氯离子扩散场补偿长度计算公式 ，计算氯离子从暴露面进入混凝土内部的深度L c ，单位为mm；式中，t为混凝土结构暴露于氯盐侵蚀环境的时间，单位为年a；D为混凝土的氯离子扩散系数，单位为mm 2 /a；k为氯离子扩散场补偿系数，取值为3.5~4.5，
1.4确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区域：根据步骤1.2 确定的氯离子一维、二维和三维扩散区，结合步骤1.3确定的氯离子扩散深度L c ，形成混凝土结构耐久性控制区域的计算模型，据此求得混凝土结构中氯离子浓度的分布规律。
2.根据权利要求1所述确定氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性控制区的方法，其特征在于，所述氯盐侵蚀环境包括混凝土结构所处的海洋环境、滨海环境、含有氯盐的地下环境及化冰盐腐蚀性环境。
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