CN105928835B - 基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，包括以下步骤：(1)混凝土试块的全浸泡试验；(2)表面氯离子浓度和本体氯离子浓度的测定；(3)扩散域氯离子平均浓度的测定；(4)基于扩散域平均浓度模型计算混凝土氯离子扩散系数。该方法具有试验方法简便、混凝土氯离子扩散系数可显式计算的优势，能够广泛应用于海洋、除冰盐等氯盐环境下混凝土结构的耐久性分析和服役寿命研究。

Description

基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法
一、技术领域
本发明涉及一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，具体涉及一种开展混凝土氯离子扩散试验，并利用扩散域平均浓度模型计算混凝土的氯离子扩散系数的方法。
二、背景技术
混凝土氯离子扩散系数是影响海洋混凝土结构服役寿命的主要因素。因此，快速、准确地测试混凝土氯离子扩散系数是分析和评估海洋混凝土结构耐久性和服役寿命的关键。
现有测试氯离子扩散系数的方法中，自然浸泡试验由于和实际海洋环境下混凝土内部的氯离子扩散情况基本一致，因此被广泛应用。但是，该方法需对混凝土不同空间位置的样本进行多层取样，并测定每个样本的氯离子浓度，然后根据菲克第二定律拟合得到混凝土的氯离子扩散系数。显然，该方法操作过程复杂，需耗费大量人力；计算过程困难，不易被工程人员掌握，难以在测试现场直接计算得到氯离子扩散系数。因此，如何简便有效地测定并计算出混凝土的氯离子扩散系数，并据此开展混凝土结构耐久性和服役寿命研究，具有重要的学术意义和工程应用前景。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，该方法能够基于扩散域平均浓度模型计算混凝土的氯离子扩散系数，为混凝土结构的耐久性分析提供一种简洁有效的评估方法。
本发明的技术方案是：一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，包括以下步骤：
(1)混凝土试块的全浸泡试验：制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试块，在水中养护28天后，将混凝土试块的5个面用环氧树脂密封，以暴露面朝上置于质量百分浓度为12～24％的氯化钠溶液中，暴露面位于液面下方80～120mm处，暴露28～91天龄期后，取出混凝土试块；
(2)表面氯离子浓度和本体氯离子浓度的测定：烘干混凝土试块，去掉暴露面上的结晶盐和试块周围的环氧树脂，以5mm的取样厚度对试块的暴露面进行磨粉取样，并测定暴露面样本的氯离子浓度，作为试块的表面氯离子浓度，以5mm的取样厚度对试块的底面进行磨粉取样，并测定底面样本的氯离子浓度，作为本体氯离子浓度；
(3)扩散域氯离子平均浓度的测定：在磨粉后的试块顶部标注3～9个取样点，自标注取样点沿氯离子扩散方向对试块进行贯通式钻孔取样，将各次取样获得的样本混合均匀，并测定样本的氯离子浓度，作为扩散域氯离子平均浓度；
(4)基于扩散域平均浓度模型计算混凝土氯离子扩散系数：将暴露龄期、表面氯离子浓度、本体氯离子浓度和扩散域氯离子平均浓度代入扩散域平均浓度模型计算混凝土的氯离子扩散系数，
所述的扩散域平均浓度模型为：
其中，t为暴露时间，单位为年(a)；Cs、C0、C分别表示表面氯离子浓度、本体氯离子浓度和扩散域氯离子平均浓度，单位为氯离子占混凝土质量的百分数％；L为试块边长，为100mm；D表示氯离子扩散系数，单位为mm2/a。
所述的混凝土中的氯离子包括自由氯离子和总氯离子；
本发明的突出优点在于：
首次提供一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，该方法能够基于扩散域平均浓度模型计算混凝土的氯离子扩散系数，具有试验方法简便、混凝土氯离子扩散系数可显式计算的优势，对氯离子环境下的混凝土结构耐久性分析研究具有重要学术意义和工程应用价值。
四、附图说明
图1为混凝土试块的磨粉取样示意图。
图2为混凝土试块的钻孔取样点示意图。
五、具体实施方式
以下将通过实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例为基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法的一个具体实例，包括以下步骤：
(1)混凝土试块的全浸泡试验：制备水灰比为0.5、尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试块，在水中养护28天后，将混凝土试块的5个面用环氧树脂密封，以暴露面朝上置于质量百分浓度为16.5％的氯化钠溶液中，暴露面位于液面下方80mm处，暴露56天龄期后，取出混凝土试块；
(2)表面氯离子浓度和本体氯离子浓度的测定：烘干混凝土试块，去掉暴露面上的结晶盐和试块周围的环氧树脂，对照图1，以5mm的取样厚度对试块的暴露面1进行磨粉取样，并测定得到暴露面样本的自由氯离子浓度为0.895％，作为试块的表面氯离子浓度；以5mm的取样厚度对试块的底面2进行磨粉取样，并测定得到底面样本的自由氯离子浓度为0.01％，作为本体氯离子浓度；
(3)扩散域氯离子平均浓度的测定：在磨粉后的试块3的顶部4标注五个取样点5，如图2所示，自标注取样点5沿氯离子扩散方向对试块进行5次贯通式钻孔取样，将各次取样获得的样本混合均匀，并测定得到样本的自由氯离子浓度为0.051％，作为扩散域氯离子平均浓度；
(4)基于扩散域平均浓度模型计算混凝土氯离子扩散系数：将试块边长L＝100mm、暴露龄期t＝56/365年、表面氯离子浓度Cs＝0.895％、本体氯离子浓度C0＝0.01％和扩散域氯离子平均浓度C＝0.051％代入氯离子扩散域平均浓度模型
计算得到混凝土的氯离子扩散系数D为227.9mm2/a。
实施例2
本实施例作为验证本发明方法的有效性和优越性的具体实例，即根据实施例1中计算氯离子扩散系数和本实施例中计算氯离子扩散系数的数值和步骤进行对比：
对实施例1中取样后的试块3进行分层取样，共计5层，每层厚度分别对应5mm、10mm、10mm、10mm和10mm，并测定每层样本的自由氯离子浓度，分别为0.475％、0.085％、0.036％、0.028％和0.027％；至此，共得到6组不同扩散深度x处(2.5mm、7.5mm、15mm、25mm、35mm和45mm)分别对应的自由氯离子浓度C(0.895％、0.475％、0.085％、0.036％、0.028％和0.027％)，结合暴露龄期t＝56/365年、表面氯离子浓度Cs＝0.895％，本体氯离子浓度C0＝0.01％，基于菲克第二定律的误差函数解
利用Matlab软件拟合得到氯离子扩散系数D为247.9mm2/a。
通过对比，实施例1测得的氯离子扩散系数与实施例2测得的氯离子扩散系数的相对误差低于10％，说明使用本发明方法计算得到的混凝土试块的氯离子扩散系数是合理的，验证了本发明方法的有效性；另外，实施例1的样本数量明显少于实施例2，且实施例1可利用显示表达式直接计算氯离子扩散系数，而实施例2则必须借助商业软件拟合计算得到氯离子扩散系数，说明本发明方法具有试验方法简便、混凝土氯离子扩散系数可显式计算的优势，体现了本发明方法的优越性。

Claims (2)

1.一种基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，包括(1)混凝土试块的全浸泡试验：制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试块，在水中养护28天后，将混凝土试块的5个面用环氧树脂密封，以暴露面朝上置于质量百分浓度为12～24％的氯化钠溶液中，暴露面位于液面下方80～120mm处，暴露28～91天龄期后，取出混凝土试块；其特征在于，还包括以下步骤：
(2)表面氯离子浓度和本体氯离子浓度的测定：烘干混凝土试块，去掉暴露面上的结晶盐和试块周围的环氧树脂，以5mm的取样厚度对试块的暴露面进行磨粉取样，并测定暴露面样本的氯离子浓度，作为试块的表面氯离子浓度，以5mm的取样厚度对试块的底面进行磨粉取样，并测定底面样本的氯离子浓度，作为本体氯离子浓度；
(3)扩散域氯离子平均浓度的测定：在磨粉后的试块顶部标注3～9个取样点，自标注取样点沿氯离子扩散方向对试块进行贯通式钻孔取样，将各次取样获得的样本混合均匀，并测定样本的氯离子浓度，作为扩散域氯离子平均浓度；
(4)基于扩散域平均浓度模型计算混凝土氯离子扩散系数：将暴露龄期、表面氯离子浓度、本体氯离子浓度和扩散域氯离子平均浓度代入扩散域平均浓度模型计算混凝土的氯离子扩散系数，
所述的扩散域平均浓度模型为：
其中，t为暴露时间，单位为年(a)；Cs、C0、C分别表示表面氯离子浓度、本体氯离子浓度和扩散域氯离子平均浓度，单位为氯离子占混凝土质量的百分数％；L为试块边长，为100mm；D表示氯离子扩散系数，单位为mm2/a。
2.根据权利要求1所述的基于扩散域平均浓度模型的混凝土氯离子扩散系数测定方法，其特征在于，所述的混凝土中的氯离子包括自由氯离子和总氯离子。
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