CN103439243A - 针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土耐久性设计技术，具体涉及一种针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法。该方法首先建立氯离子在表面防护层与原混凝土基材层中的扩散模型，然后获取表面防护层与混凝土基材层的氯离子扩散系数，确定钢筋锈蚀的临界浓度与混凝土表面氯离子浓度，最后将参数代入模型，计算出结构的使用年限。本发明建立了氯离子在非均匀介质中扩散的模型，实现了对表面防护钢筋混凝土结构的使用年限的预测。

Description

针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法

技术领域

本发明涉及混凝土耐久性设计技术，具体涉及一种针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法。 

背景技术

处于海洋氯化物环境下的钢筋混凝土结构，由于外界不利环境中的氯离子侵入，会导致钢筋表面处氯离子浓度逐渐升高。等积累到一定程度后就会造成钢筋锈蚀及钢筋截面损失，从而最终导致结构整体失效。 

目前对于氯离子的侵入过程，一般认为可采用菲克第二定律进行定量计算。在获取混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数、钢筋锈蚀临界氯离子浓度等参数后可进行计算，得到一定混凝土保护层厚度下，结构在耐久性失效状态前的使用年限。 

然而在海洋氯化物等恶劣环境下，往往采用表面涂层或表面硅烷浸渍等方法对钢筋混凝土结构进行防护，从而达到阻隔氯离子侵入，延长结构使用年限的效果。表面防护层与原有混凝土耐氯离子侵入性能差别很大，基于均匀介质前提下的菲克第二定律经验扩散模型不再适用。而对于表面防护钢筋混凝土结构，如果能获得其在采取防护措施后的使用年限，就可以对防护效果做出定量评价，并进而指导结构的耐久性设计。因此，有必要提出一种新的方法，建立氯离子在非均匀介质中扩散的模型，对表面防护钢筋混凝土结构的使用年限进 行预测。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的局限，提供一种针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法。 

本发明的技术方案如下：一种针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，包括如下步骤： 

（1）建立氯离子在表面防护层与原混凝土基材层中的扩散模型，该模型认为表面防护层与混凝土基材层各自为均匀的材料，且氯离子在各层中的扩散分别服从菲克第二定律， 

$\frac{{\∂C}_1}{\∂t}=D_1\frac{{\∂}^2{C}_1}{{\∂x}^2}$

$\frac{{\∂C}_2}{\∂t}=D_2\frac{{\∂}^2{C}_2}{{\∂x}^2}$

其中，C₁为表面防护层中某处的氯离子含量；C₂为混凝土基材层中某一深度处的氯离子含量；D₁表面防护层中的氯离子扩散系数；D₂混凝土基材层中的氯离子扩散系数；x为计算点距交界面的距离；t为扩散时间； 

在两层材料交接处认为，表面防护层与混凝土基材层的氯离子浓度相同，且通过表面防护层的氯离子扩散通量与进入混凝土基材层的通量相同， 

C₁=C₂

$D_1\frac{{\∂C}_1}{\∂x}=D_2\frac{\∂C_2}{\∂x}$

根据所列边界条件对模型进行求解，得到各层内氯离子浓度为： 

$c_1=C_o\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\{\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}-\mathrm{\αerfc}\frac{(2n+1)l-x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}\}$

$c_2=\frac{{2\mathrm{kC}}_o}{k+1}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+\mathrm{kx}}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}$

其中，k=(D₁/D₂)^1/2，

C₀为混凝土表面氯离子浓度，l为表面防护层厚度，n为计算结果中所包含无穷数列的阶数，η为积分求算erfc(x)时的积分变量； 

（2）获取表面防护层与混凝土基材层的氯离子扩散系数D₁、D₂，确定钢筋锈蚀的临界浓度C_max与混凝土表面氯离子浓度C₀； 

（3）将参数代入模型，得到混凝土基材层中某一深度处氯离子浓度C₂达到临界浓度C_max时的扩散时间t，即为结构的使用年限；因参数l为表面防护层厚度，故此处C₂即为钢筋表面处氯离子浓度。 

进一步，如上所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，步骤（1）中建立的扩散模型，表面防护层厚度采用实际钻孔取芯的一组试样所测定的均值；混凝土基材层厚度取交界面至钢筋外边缘的最小距离，计算时取C₂计算式中x为此距离。 

进一步，如上所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，步骤（2）中，采用氯离子外加电场快速迁移方法测定表面防护层与混凝土基材层的氯离子扩散系数；根据结构所处环境因素确定混凝土表面氯离子浓度并确定钢筋锈蚀的临界浓度。 

进一步，如上所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，步骤（3）中，计算时采用渐进的算法，指定一个求算结果可能落入其中的年限分布区间，采用二分法逐次代入表达式，计算所试算的使用年限内，钢筋表面氯离子浓度C₂是否达到钢筋锈蚀的临界浓度，如未达到，继续趋近试算使用年限；如达到，则此步试算的使用年限即为结构的耐久性使用年限。 

本发明的有益效果如下：本发明建立了双层扩散模型，避免了用单一均匀介质扩散模型描述表面防护混凝土的原理性缺陷。通过计算得到防护后混凝土的耐久性使用年限，可以从长期性能与效果上对表面防护进行评价，为评估表面防护层能否达到预定防护年限提供了计算方法。 

附图说明

图1为本发明的模型示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 

第一步，建立氯离子在表面防护层与原混凝土基材层中的扩散模型，如图1所示。表面防护层厚度可采用实际钻孔取芯的一组试样所测定的均值，混凝土基材层厚度取交界面至钢筋外边缘的最小距离。 

该模型认为表面防护层与混凝土基材层各自为均匀的材料，且氯离子在各层中的扩散分别服从菲克第二定律， 

$\frac{{\∂C}_1}{\∂t}=D_1\frac{{\∂}^2{C}_1}{{\∂x}^2}$

$\frac{{\∂C}_2}{\∂t}=D_2\frac{{\∂}^2{C}_2}{{\∂x}^2}$

其中，C₁为表面防护层中某处的氯离子含量；C₂为混凝土基材层中某一深度处的氯离子含量；D₁表面防护层中的氯离子扩散系数；D₂混凝土基材层中的氯离子扩散系数；x为计算点距交界面的距离；t为扩散时间；实际计算中，达到计算终止条件时，此扩散时间即为结构的耐久性使用年限。 

在两层材料交接处认为，表面防护层与混凝土基材层的氯离子浓度相同，且通过表面防护层的氯离子扩散通量与进入混凝土基材层的通量相同， 

C₁=C₂

$D_1\frac{{\∂C}_1}{\∂x}=D_2\frac{\∂C_2}{\∂x}$

根据所列边界条件对模型进行求解，得到各层内氯离子浓度为： 

$c_1=C_o\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\{\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}-\mathrm{\αerfc}\frac{(2n+1)l-x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}\}$

$c_2=\frac{{2\mathrm{kC}}_o}{k+1}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+\mathrm{kx}}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}$

其中，k=(D₁/D₂)^1/2，

C₀为表面氯离子浓度，l为表面防护层厚度，n为计算结果中所包含无穷数列的阶数，实际计算中一般取10阶以上即可满足精度要求，η为积分求算erfc(x)时的积分变量。 

第二步，根据结构所处环境等因素确定混凝土表面氯离子浓度并确定钢筋锈蚀的临界浓度。浓度取值可参照相关耐久性规范（如《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008、《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004等）、工程实例或实验调研成果。采用氯离子外加电场快速迁移等方法测定各层的氯离子扩散系数。此类实验多为标准方法，属于现有技术，可参照相关规范（如《水运工程混凝土试验规程》JTJ270-98、《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTG/T B07-1-2006等）与相关技术文档进行。计算时，C₀可作为初始条件直接代入，当算得钢筋表面处浓度C₂达到临界浓度C_max时即认为达到计算终止条件。 

第三步，将参数代入模型并编程计算。计算时可采用渐进的算法，指定一个求算结果可能落入其中的年限分布区间。采用二分法逐次代入表达式，计算所试算的使用年限内，钢筋表面氯离子浓度是否达到临界浓度，因参数l为表面防护层厚度，故此处C₂即为钢筋表面处氯离子浓度。如未达到，继续趋近试算使用年限；如达到，则此步试算的使用年限即为结构的耐久性使用年限。 

实施例 

某采用硅烷浸渍表面防护钢筋混凝土结构使用年限预测 

（1）模型建立 

依据上述技术方案中的公式及边界条件建立模型。某混凝土采用表面硅烷浸渍进行防护，表面防护层厚度为5mm，混凝土保护层厚度为50mm，由于硅烷浸渍是渗透混凝土其中对其改性形成保护层，因此所建立模型第一层厚度为5mm，第二层厚度为45mm。 

（2）获取参数 

根据结构所处环境等因素确定混凝土表明氯离子浓度并确定钢筋锈蚀的临界浓度。采用氯离子外加电场快速迁移RCM实验等方法测定各层的氯离子扩散系数。工程处于海洋环境下的浪溅区，表面氯离子浓度取值为0.75%（质量分数）。混凝土基材层氯离子扩散系数为1×10^-12m²/S；表面防护层氯离子扩散系数为1×10^-13m2/S。设定钢筋表面锈蚀氯离子临界浓度为0.1%。 

（3）编程计算 

将参数输入编制好的程序中，指定一个求算结果可能落入其中的年限分布区间。采用二分法逐次代入表达式，计算所试算的扩散时间内，钢筋表面氯离子浓度是否达到临界浓度。如未达到，继续趋近试算使用年限；如达到，则此步试算的扩散时间即为结构的耐久性使用年限。计算得到耐久性极限状态下，此钢筋混凝土结构进行防护后的使用年限为42年。如果此结构使用年限大于42年则表面防护无法达到要求，应该采取增加防护层厚度，或者通过改善防护质量来减小防护层中氯离子扩散系数等措施，达到延长结构使用年限的效果。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (4)

1.一种针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，包括如下步骤：

（1）建立氯离子在表面防护层与原混凝土基材层中的扩散模型，该模型认为表面防护层与混凝土基材层各自为均匀的材料，且氯离子在各层中的扩散分别服从菲克第二定律，

$\frac{{\∂C}_1}{\∂t}=D_1\frac{{\∂}^2{C}_1}{{\∂x}^2}$

$\frac{{\∂C}_2}{\∂t}=D_2\frac{{\∂}^2{C}_2}{{\∂x}^2}$

其中，C₁为表面防护层中某处的氯离子含量；C₂为混凝土基材层中某一深度处的氯离子含量；D₁表面防护层中的氯离子扩散系数；D₂混凝土基材层中的氯离子扩散系数；x为计算点距交界面的距离；t为扩散时间；

在两层材料交接处认为，表面防护层与混凝土基材层的氯离子浓度相同，且通过表面防护层的氯离子扩散通量与进入混凝土基材层的通量相同，

C₁=C₂

$D_1\frac{{\∂C}_1}{\∂x}=D_2\frac{\∂C_2}{\∂x}$

根据所列边界条件对模型进行求解，得到各层内氯离子浓度为：

$c_1=C_o\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\{\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}-\mathrm{\αerfc}\frac{(2n+1)l-x}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}\}$

$c_2=\frac{{2\mathrm{kC}}_o}{k+1}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}^n\mathrm{erfc}\frac{(2n+1)l+\mathrm{kx}}{2\sqrt{\left(D_{1}t\right)}}$

其中，k=(D₁/D₂)^1/2，

C₀为混凝土表面氯离子浓度，l为表面防护层厚度，n为计算结果中所包含无穷数列的阶数，η为积分求算erfc(x)时的积分变量；

（2）获取表面防护层与混凝土基材层的氯离子扩散系数D₁、D₂，确定钢筋锈蚀的临界浓度C_max与混凝土表面氯离子浓度C₀；

（3）将参数代入模型，得到混凝土基材层中某一深度处氯离子浓度C₂达到临界浓度C_max时的扩散时间t，即为结构的使用年限；因参数l为表面防护层厚度，故此处C₂即为钢筋表面处氯离子浓度。

2.如权利要求1所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，其特征在于：步骤（1）中建立的扩散模型，表面防护层厚度采用实际钻孔取芯的一组试样所测定的均值；基材层厚度取交界面至钢筋外边缘的最小距离，计算时取C₂计算式中x为此距离。

3.如权利要求1所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，其特征在于：步骤（2）中，采用氯离子外加电场快速迁移方法测定表面防护层与混凝土基材层的氯离子扩散系数；根据结构所处环境因素确定混凝土表面氯离子浓度并确定钢筋锈蚀的临界浓度。

4.如权利要求1或2或3所述的针对海洋氯化物环境下表面防护钢筋混凝土结构使用年限的预测方法，其特征在于：步骤（3）中，计算时采用渐进的算法，指定一个求算结果可能落入其中的年限分布区间，采用二分法逐次代入表达式，计算所试算的使用年限内，钢筋表面氯离子浓度是否达到钢筋锈蚀的临界浓度，如未达到，继续趋近试算使用年限；如达到，则此步试算的使用年限即为结构的耐久性使用年限。

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