CN108229093A - 饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法，将再生混凝土视为由不同尺度材料构成的水泥基复合材料，从小尺度的硬化水泥浆体开始，逐步过渡到大尺度的再生混凝土，逐步建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。该方法考虑了再生混凝土纳观、细观、微观和宏观尺度下不同组成成分对氯离子扩散的影响，根据再生混凝土的多尺度组成，由小尺度逐渐过渡到大尺度，依次提出硬化水泥浆体、新砂浆和再生混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型，可以较为科学、合理、准确地预测再生混凝土氯离子扩散系数，对于再生混凝土的抗氯离子渗透研究和耐久性设计有着十分重要的意义。

Description

饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法

技术领域

本发明属于再生混凝土氯离子扩散系数的预测方法，尤其涉及一种饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法。

背景技术

近年来，我国的建筑业蓬勃发展，天然河砂和天然碎石的需求量逐年上升，大量的开山采石、挖掘河砂等过渡利用自然资源的行为虽为我国基础设施建设提供了保障，但也导致了山河自然景观、植被系统和生态系统的严重破坏，造成生态环境恶化和地质灾害。另一方面，我国建筑垃圾的生产量逐年上升，大量的建筑垃圾严重阻碍了城市建设与发展。因此，从国家到地方政府出台了相关的政策来促进建筑垃圾回收，实现资源的循环转化利用。

再生混凝土是指将废弃混凝土进行回收，加工处理后得到再生骨料，用再生骨料代替天然骨料重新配置而成的混凝土。利用再生混凝土技术对建筑垃圾进行循坏再利用是处理废弃混凝土有效的方法之一，该技术不仅可以消耗大量的废弃混凝土，又可以减少天然骨料的商业性开发。目前，限制再生混凝土推广和应用的因素之一是其耐久性，氯离子侵蚀是导致钢筋混凝土发生耐久性破坏的重要原因之一，钢筋混凝土结构在服役过程中，氯离子侵入到混凝土中导致钢筋锈蚀，保护层开裂，加速钢筋锈蚀，最终导致结构损毁，分析再生混凝土氯离子扩散规律有助于再生混凝土结构的耐久性设计。

再生混凝土内部存在很多孔隙和微裂缝，这些孔隙和裂隙为有害物质进入混凝土内部提供了通道，当混凝土中的这些孔隙和通道处于水饱和状态时，氯离子可以在其中较为快速的扩散，研究再生混凝土在水饱和状态下的氯离子扩散特性是研究再生混凝土氯离子扩散系数的基础。

目前，试验确定再生混凝土氯离子扩散系数的方法主要有三类：第一类是自然扩散法，将试件长期浸泡在氯盐溶液中，或从现场再生混凝土取样，测定氯离子在不同扩散深度处的浓度分布，再采用胡克定律求出氯离子扩散系数。第二类是电场加速扩散法，通过在试件两端施加电场，加速氯离子在试件内迁移，采用理论公式计算氯离子扩散系数。第三类是经验公式法，根据长期对再生混凝土工程的取样调查或自然环境下进行暴露试验，或是根据氯离子扩散性能与力学性能之间的定量关系，拟合经验公式来计算再生混凝土氯离子扩散系数。三种方法各有优势，但也存在一定缺陷。第一类方法试验原理简单，试验结果接近实际情况，可信度高，但试验周期长，试验过程繁琐复杂，耗时耗力。第二类方法试验操作简便，试验时间短，应用较为广泛，但该方法对试件的要求较高，试验条件与氯离子侵蚀的实际环境不同。第三类方法常用于简单估测氯离子扩散系数，但由于氯离子扩散系数与施工质量、材料选择以及环境因素等密切相关，估测的结果准确度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法，将再生混凝土视为由不同尺度材料构成的水泥基复合材料，从小尺度的硬化水泥浆体开始，逐步过渡到大尺度的再生混凝土，逐步建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。

上述构建方法包括以下步骤：

<1>建立水泥净浆氯离子扩散系数预测模型；

<2>建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型；

<3>建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。

步骤<1>按以下操作进行：

不同粒径的水泥颗粒与水反应后生成硬化水泥净浆，硬化水泥净浆由各种水化产物(C-S-H，CH，AF)、未水化的水泥颗粒(可近似为球形)和诸多的孔隙构成，水泥净浆中各组分所占的体积分数，随水灰比和龄期发展而改变，浆体中各种组分相互夹杂，共同影响着水泥浆体硬化后的氯离子扩散系数，结合广义自洽法和Moil-Tanaka法，建立硬化水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(33)中，φ，的表达式为：

式(34)中，D_hCSH为水泥中高密度C-S-H凝胶层的扩散系数；D_lCSH为水泥中低密度C-S-H凝胶层的扩散系数；V_α为硬化水泥浆体中高密度C-S-H凝胶层占总水泥体积的体积分数；V_β为硬化水泥浆体中未水化水泥颗粒与高密度C-S-H凝胶层的体积分数之和；

高密度的C-S-H凝胶层，包含了水泥水化产物(如CH、AF)和高密度的C-S-H凝胶层基体，当水化产物非扩散且相对均匀分布在高密度C-S-H凝胶层基体当中时，根据基体-夹杂模型有D_hCSH的表达式为：

其中：

式(35)～(37)中，为通过试验和数值计算得到的氯离子在高密度C-S-H凝胶层中的扩散系数，取 V_hCSH分别是CH、AF、高密度的C-S-H凝胶层基体在高密度C-S-H凝胶层中的体积分数；α_h、β_h为中间变量；

低密度的C-S-H凝胶层，既包含了水泥水化产物(如CH、AF)和低密度的C-S-H凝胶层基体又包含了诸多的毛细孔孔隙，考虑水化产物、毛细孔都非扩散且相对均匀分布在低密度C-S-H凝胶层基体当中，根据多相材料夹杂的Mori-Tanaka法有D_lCSH的表达式为：

其中：

ζ＝V_cap(D_cap-D′_lCSH) (43)

式(38)～(43)中D′_lCCSH为水泥水化产物(如CH、AF)和低密度C-S-H凝胶层基体均匀夹杂后的等效介质层的有效扩散系数；为通过试验和数值计算得到的氯离子在低密度C-S-H凝胶层中的扩散系数，取 V_cap、V_lCSH分别是CH、AF、毛细孔、低密度的C-S-H凝胶层基体在低密度C-S-H凝胶层中的体积分数；D_cap为毛细孔的有效扩散系数，取D_cap＝2.03×10^-9m²/s；α_l、β_l、ξ、ζ为中间变量；

硬化水泥浆体各种水化产物的体积分数分别为V_CH、V_AF、V_CSH(V_lCSH和V_hCSH)、未水化的水泥颗粒的体积分数为V_U，毛细孔的体积分数为V_cap，则有：

V_CH+V_AF+V_lCSH+V_hCSH+V_U+V_cap＝1 (44)

且有：

式(34)中V_α、V_β的表达式分别为：

综合式(33)～(47)，得到以各体积参数为变量的水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(48)中，D_cap为试验和数值计算得出的实测值；假定饱和水泥浆体的质量为1g，根据普通硅酸盐水泥化学反应方程式，得到净浆中各体积分数的预测模型，为：

式(49)～(54)中，n-水泥浆体的初始水灰比；t-龄期；ρ_c、ρ_lCSH、ρ_hCSH-水泥的密度、低密度C-S-H凝胶的密度、低密度C-S-H凝胶的密度；p₁、p₂、p₃、p₄-C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF在水泥熟料中的质量分数。

步骤<2>按以下操作进行：

新砂浆细观尺度上可以看做由细骨料(砂粒，可近似为球形)、硬化水泥浆体以及两者之间的ITZ组成，采用广义自洽法进行预测，建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(55)中ξ，ζ为中间变量，有：

式(56)中D_HCP为步骤1预测得到的硬化水泥浆体的氯离子扩散系数；D_ITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)的氯离子扩散系数；V_A为新砂浆中细骨料的体积分数，由砂浆的配合比计算得出；V_ITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)的体积分数，取值范围为5％-30％；

其中，D_ITZ与细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)厚度以及基体材料的扩散特性有关，则以水泥为基体的新砂浆的D_ITZ的表达式为：

D_ITZ＝117.563D_HCP·h_ITZ ^-0.8772 (57)

式(57)中h_ITZ为新砂浆中界面过渡区的厚度，与水泥粒子的平均半径有关，取h_ITZ＝25μm。

步骤<3>按以下操作进行：

对于再生混凝土，细观尺度上可将其看作由原始天然骨料(OA)、老界面过渡区(OITZ)、老砂浆(0M)、新界面过渡区(NITZ)和新砂浆(NM)等小尺度材料组成的水泥基材料，各组分所占的体积分数共同影响着再生混凝土的氯离子扩散系数；将再生混凝土简化看作多尺度的复合球体，根据多孔材料渗透理论，参考广义自洽法和Moil-Tanaka法，得到再生混凝土的氯离子扩散系数多尺度预测模型为：

式(58)中，D_NM为步骤2预测得到的新砂浆的氯离子扩散系数；φ₁为天然骨料、老ITZ、老砂浆、新ITZ的体积分数之和，即φ₁＝φ_OA+φ_OITZ+φ_OM+φ_NITZ；φ_NM为新砂浆的体积分数；D₄为再生骨料(天然骨料+老界面+老砂浆)和新界面的的组合扩散系数；

将再生骨料嵌入新界面中，根据复合球体的有效扩散系数计算公式得D₄的表达式为：

式(59)中，D_NITZ为新界面(新ITZ)的扩散系数，其计算式见式(60)；φ₂为天然骨料、老ITZ、老砂浆的体积分数之和，即φ₂＝φ_OA+φ_OITZ+φ_OM；φ_NITZ为再生混凝土中新砂浆的体积分数；D₃为再生骨料(天然骨料+老界面+老砂浆)的扩散系数；其余符号表示意义同上；

D_NITZ＝117.563D_NM·h_NITZ ^-0.8772 (60)

式(60)中，h_NITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度(m)，取h_NITZ＝45μm；

将天然骨料与老界面视为整体，再嵌入老砂浆中，根据复合球体的有效扩散系数计算公式得D₃的表达式为：

式中(61)，D_OM为老砂浆的扩散系数，取D_OM＝6.9D_NM；φ₃为原始天然骨料、老ITZ的体积分数之和，即φ₂＝φ_OA+φ_OITZ；φ_OM再生骨料表面附着老砂浆的体积分数；D₂为天然骨料与老界面的组合的扩散系数；其余符号表示意义同上；

将天然骨料与老界面嵌合，根据复合球体的有效扩散系数计算公式可得D₂的表达式为：

式(62)中，D_OITZ为老界面的扩散系数，其计算式见式(63)；φ_OM为再生混凝土中老砂浆的体积分数；φ_OITZ老砂浆的体积分数；D_OA为天然骨料的扩散系数，取D_OA＝0.210^-12m²/s；其余符号表示意义同上；

D_OITZ＝117.563D_OM·h_OITZ ^-0.8772 (63)

式(63)中，h_OITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度(m)，取h_OITZ＝55μm；

式(58)～(62)中，φ_NITZ取值范围为0.5％-2.0％，取0.75％，其余各组分的体积分数随再生骨料的体积分数φ_RCA(可根据配合比求得)而变化，各体积分数的相关计算公式为：

φ_OM＝ψφ_RCA

φ_NM＝1-φ_RAC-φ_NITZ

式(64)中，ψ为再生骨料中附着老砂浆的体积分数(与再生骨料粒径有关)，取值范围为30％-45％，取为33％；其余符号表示意义同上。

上述构建方法在再生混凝土配合比设计方面的应用。

将所述饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型和混凝土寿命预测理论相结合，计算得出在不同环境使用等级下，满足不同使用年限要求的再生混凝土的配合比。

针对现有技术存在的问题，基于已有的理论研究，发明人建立了一种饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法，将再生混凝土视为由不同尺度材料构成的水泥基复合材料，从小尺度的硬化水泥浆体开始，逐步过渡到大尺度的再生混凝土，逐步建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。该方法考虑了再生混凝土纳观、细观、微观和宏观尺度下不同组成成分对氯离子扩散的影响，根据再生混凝土的多尺度组成，由小尺度逐渐过渡到大尺度，依次提出硬化水泥浆体、新砂浆和再生混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型，可以较为科学、合理、准确地预测再生混凝土氯离子扩散系数，对于再生混凝土的抗氯离子渗透研究和耐久性设计有着十分重要的意义。

与现有再生混凝土氯离子扩散系数测定方法相比，本发明的突出优势在于：

(1)研究了再生混凝土纳观、细观、微观和宏观结构组成对其氯离子扩散的影响，构建了多尺度水泥基材料的氯离子扩散系数预测模型，该模型从微观到宏观，分析全面，适用范围广，可以为从微观角度研究再生混凝土的耐久性提供参考。

(2)所建立的饱和再生混凝土多尺度预测模型从混凝土材料的多尺度结构角度分析了饱和再生混凝土中氯离子的扩散规律及影响因素，可以为再生混凝土的耐久性研究提供新的借鉴与参考。

(3)通过本发明预测模型可以根据已有水泥基材料的配合比及相关材料参数比较准确地预测其氯离子扩散系数，而不需要每次都通过专门的测试装置实时测试，可以节约研究成本，促进水泥基材料耐久性研究的发展。

(4)将本发明预测模型和已有混凝土寿命设计理论相结合，可以根据混凝土结构的使用年限要求，计算求得满足使用要求的再生混凝土的配合比，为混凝土结构的配合比设计提供新思路。

附图说明

图1是本发明再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型构建的流程图。

图2是硬化水泥浆体微观尺度结构模型示意图。

图3是水泥净浆中各种体积参数随龄期t变化的关系曲线(水灰比n＝0.5)。

图4是水泥净浆中各种体积参数随水灰比n变化的关系曲线(龄期t＝28d)。

图5是新砂浆的细观尺度结构示意图。

图6是水灰比为0.5，V_A分别取定值0.3、0.42、0.5时D_NM随V_ITZ变化的关系曲线。

图7是再生混凝土细观尺度结构模型示意图。

图8是体积分数φ_OM，φ_OITZ，φ_OA，φ_NM随再生骨料的体积分数φ_RCA变化的关系曲线。

图9是加工完成的用于RCM法的圆柱体试件(左上)以及再生混凝土氯离子扩散系数两种模型预测值与试验值的偏差关系曲线。

图中：1高密度C-S-H层；2低密度C-S-H层；3等效球状的未水化水泥颗粒；4未水化水泥颗粒；5硬化水泥浆体；6天然砂粒；7等效球状的天然砂粒；8天然砂粒与水泥浆体之间的ITZ；9天然粗骨料；10等效球状的天然粗骨料；11旧界面过渡区(ITZ)；12老砂浆；13新界面过渡区(ITZ)；14新砂浆。

具体实施方式

为了验证前述构建方法及其相关预测模型的优异性，选用材料和配合比设计制备不同氯离子扩散系数的水泥基材料，根据材料参数和配合比设计用本发明多尺度预测模型，计算氯离子扩散系数预测值，并将其与RCM法的实测值以及已有预测模型做对比分析。为了说明模型的实际工程应用意义，结合预测模型和已有的混凝土结构寿命预测理论，根据混凝土结构的不同年使用年限要求，求解符合实际所需的再生混凝土的配合比。具体实施方案过程为：

(1)根据所建立的多尺度预测模型，预选材料参数，设计配合比制备不同氯离子扩散系数的多尺度水泥基材料。

(2)选取制备的水泥净浆、新砂浆、再生混凝土试件，通过RCM法测定其对应的氯离子扩散系数。

(3)将不同尺度水泥基材料氯离子扩散系数的设计值与RCM法测定的试验值进行对比，说明本发明的多尺度预测模型对各尺度水泥基材料氯离子扩散系数预测的可靠性。

(4)引入已有饱和混凝土氯离子扩散系数预测模型，将本发明建立的饱和再生混凝土氯离子扩散系数预测模型、引入的预测模型、再生混凝土RCM法氯离子扩散系数测试值进行对比分析，说明本发明模型的优异性。

(5)根据已有的混凝土结构寿命预测理论，求解不同的使用年限要求的再生混凝土的氯离子扩散系数，将求得的氯离子扩散系数代入饱和再生混凝土多尺度预测模型，得出具体的配合比设计，可以为实际工程设计不同耐久性需求的再生混凝土提供参考。

以下通过实施例详细说明如何实施。

实施例一预测不同水泥基材料的氯离子扩散系数

为了验证本发明多尺度预测模型的可靠性，预选相关原材料，给定相关配合比设计，然后根据步骤1至步骤3建立的各尺度水泥材料氯离子扩散系数预测模型，计算相关的氯离子扩散系数，与此同时根据选定的原材料和配合比制备水泥基材料，并进行RCM快速氯离子扩散试验，得到氯离子扩散系数试验值，并与模型设计值进行对比。

相关试验原材料的选定如下：

水泥：P42.5普通硅酸盐水泥，水泥熟料化学成分和矿物组成如表1所示，水泥密度为r_c＝3.15g/cm³。

细骨料：天然河砂，粒径为0.16～5.00mm，细度模数为3.0，级配属于II区中砂；

粗骨料：石灰岩碎石，粒径为16～20mm，颗粒形状接近正方体和球形。

再生粗骨料：有效水灰比为0.4普通混凝土用颚式破碎机破碎后筛分得到，粒径为16～20mm，颗粒形状接近正方体和球形。

表1水泥熟料的化学成分和矿物组成

配合比设计：

选用拟定的材料，进行变参数设计，针对水泥净浆、水泥砂浆、再生混凝土三种水泥基材料，设计了不同的配合比，具体配合比设计如表2所示：

表2各尺度水泥基复合材料材料用量

氯离子扩散系数预测值计算：

本发明多尺度预测模型构建的流程如图1所示，以下依次从小尺度的水泥净浆过渡到大尺度的再生混凝土，根据预测模型值计算各配合比水泥基材料的氯离子扩散系数设计值。

图2是硬化水泥净浆微观尺度结构模型示意图。由水泥净浆氯离子扩散系数预测模型式(48)可知水泥净浆氯离子扩散系数与各体积参数有关，各体积参数的计算公式见式(49)～(54)，式(49)～(54)中由材料的性能参数可知r_c＝3.15g/cm³，且有r_lCSH＝1.44g/cm³、r_hCSH＝1.75g/cm³、P₁、，₂、，₃、P₄根据表1分别取0.499、0.243、0.075、0.11时，式(49)～(54)中各体积参数均只与水灰比n和龄期t有关。图3为当水灰比n为0.5时，水泥净浆中各种体积参数随龄期t变化的关系曲线；图4为当龄期t为28天时，水泥净浆中各种体积参数随水灰比n变化的关系曲线。根据预测模型计算各分项体积分数时统一取养护龄期为28天，由式(48)计算得出不同配合比下的水泥净浆氯离子扩散系数预测设计值D_HCP，如表3所示。

表3硬化水泥净浆氯离子扩散系数预测值计算

图5是新砂浆的细观尺度结构示意图。由预测模型式(55)可知新砂浆的氯离子扩散系数D_NM与细骨料的体积分数V_A以及细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区(ITZ)的体积分数V_ITZ有关，当水灰比为0.5，V_A分别取定值0.3、0.42、0.5时D_NM随V_ITZ变化的关系如图6所示。当设定V_A＝0.42，V_ITZ＝0.0991时，由式(57)可计算D_ITZ的值，再将表1计算得到的D_HCP及设定的参数值代入式(55)计算得到新砂浆氯离子扩散系数预测值D_NM，相关计算结果见表4。

表4新砂浆氯离子扩散系数预测值计算

图7是再生混凝土的细观尺度结构示意图。由预测模型式(58)-(63)可知再生混凝土的氯离子扩散系数D_RC与原始天然粗骨料的体积分数f_OA，老ITZ的体积分数f_OITZ，老砂浆的体积分数f_OM，新ITZ的体积分数f_NITZ，新砂浆的体积分数f_NM有关。图8是体积分数f_OM，f_OITZ，f_OA，f_NM随再生骨料的体积分数f_RCA变化的关系曲线。由式(58)-(63)可计算各分项参数和再生混凝土的氯离子扩散系数D_RC，具体计算结果见表5。

表5再生混凝土氯离子扩散系数预测值计算

水泥基材料RCM快速氯离子扩散试验：

为了验证本发明设计模型的可靠性，根据选定的试验材料和配合比设计，配制各尺度的水泥基材料，并进行RCM法快速氯离子扩散试验，测得相应水泥基材料的氯离子扩散系数试验值，将其与模型设计值进行对比，分析模型预测误差，在此基础上说明本发明建立的多尺度预测模型，可以用于设计配制不同耐久性要求的再生混凝土，为再生混凝土的耐久性研究提供新的参考。

试件制作。采用HJW-60强制式单卧轴混凝土搅机对水泥基复合材料进行搅拌，将搅拌完成的混合料装入尺寸为Φ100mm×250mm的圆柱形PVC管内，每组配合比制作6个标准试件，在震捣台上振捣至试件密实成型，试件成型后在端口覆盖保鲜膜并移至标准养护室养护24h后浸没于养护室的水池中继续养护至28d，达到试验龄期前7天时采用切石机将试件切割成直径为(100±1)mm，高度为(50±2)mm的圆柱体试件，取试件加工后用砂纸打磨光滑，加工完成后的试件(如图9所示)继续浸水养护至试验龄期。

RCM法快速氯离子扩散试验。所进行的RCM法快速氯离子渗透试验依据GBT50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》进行，该法适用于测定中氯离子在水泥基复合材料中的非稳态迁移系数。每组编号的水泥基材料取3个圆柱体试件测试其氯离子扩散系数，然而取3个试验测试值的平均值做为该组水泥基材料的氯离子扩散系数，试验测试结果见表7。

试验值与预测值对比分析：

为了说明本发明预测模型的可靠性，将各水泥基材料氯离子扩散系数的模型预测值，与RCM法实测值进行对比，模型预测值与试验值对比结果如表6所示。

表6不同尺度水泥基材料模型预测值与试验值对比结果

表6中对比分析C0.4、C0.5、C0.6的预测值与试验值可以发现硬化水泥浆体氯离子扩散系数预测结果与试验吻合程度较好，偏差最大值仅为5.16％，最小值为3.28％，说明本发明提出的硬化水泥浆体氯离子扩散系数预测方法是有效的。

由表6中M0.4、M0.5、M0.6三组对比数据可以说明根据预测模型设计制备的水泥砂浆其氯离子扩散系数的预测值与试验值的最大偏差不超过7％，考虑到新砂浆的预测偏差还包含了硬化水泥浆体的预测偏差，所以该偏差值虽然较水泥浆体的偏差值大，但该值依旧在合理范围内，说明本发明提出的新砂浆氯离子扩散系数多尺度预测方法是有效的。

表6中RC0.4、RC 0.5、RC 0.6分别代表三种不同配合比设计的再生混凝土，从其其对比数据可以发现再生混凝土氯离子扩散系数预测值和其试验值的最大偏差为8.63％。考虑到再生混凝土氯离子扩散系数的预测偏差既包含了硬化水泥浆体的预测偏差又包含了新砂浆的预测偏差，且由于再生混凝土自身更大的离散性和试验误差等因素，所以即使该预测偏差值大于硬化水泥浆体的预测偏差，也是可接受的，本发明提出的再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型也同样是有效的。

已有模型公式与本发明预测模型对比分析：

为了说明本发明模型预测的优异性，进一步引入已有冻融损伤混凝土氯离子扩散系数预测模型进行对比。Sofia分析了水灰比对混凝土中氯离子分布和扩散系数的影响，建立了考虑水灰比的轻骨料混凝土中氯离子扩散系数模型，该模型的考虑的轻骨料与本发明预测模型中考虑的再生骨料类似，可以做为对比模型，sofia建立的混凝土氯离子扩散系数预测模型如式(65)所示。

式中：D_RC为混凝土的氯离子扩散系数，R_w/B为水胶比。

Sofia模型和本发明预测模型中再生混凝土氯离子扩散系数随水灰比变化的关系如图9所示，在图9中加入0.4、0.5、0.6三种水胶比的再生混凝土的氯离子扩散系数RCM法实测值，通过对比分析可以发现，本发明模型预测值与实测值吻合程度较高，Sofia模型与实测值则出现较大偏差，说明本发明模型在预测冻融损伤再生混凝土氯离子扩散系数时更具优异性。

实施例二 设计不同使用年限的再生混凝土

本发明预测模型可以为指导工程实际设计不同使用年限要求的再生混凝土。根据已有的混凝土结构寿命预测理论，结合本发明预测模型，建立起再生混凝土氯离子扩散系数随时间变化的关系，求解不同的使用年限要求的再生混凝土的氯离子扩散系数，将求得的氯离子扩散系数代入本发明再生混凝土多尺度预测模型，得出具体的配合比设计，可以为实际工程设计不同耐久性需求的再生混凝土提供参考。

杨绿峰等根据fick第二扩散定律，考虑龄期衰减系数，建立的混凝土氯离子侵蚀寿命预测公式为：

由式(66)可得混凝土的氯离子扩散系数的限制表达式：

式(66)、(67)中，T为设计使用年限；D₀为混凝土在t₀(初始)时刻的氯离子扩散系数，称为初始扩散系数，由RCM方法测定28d龄期的混凝土试件得到；n为扩散系数龄期衰减系数，对于非矿物掺和料混凝土一般取为0.3；d为保护层厚度；c_s为混凝土的表面氯离子浓度；c₀为初始氯离子浓度；c_r为钢筋脱钝的临界氯离子浓度；erf^-1(·)为误差函数的逆函数。

在已知混凝土结构的氯盐环境作用等级后可得到c_s、c₀、c_r、以及d的设计参数，若再给定设计使用年限T，当取n＝0.2时，可以根据式(67)计算不同设计使用年限，不同氯盐环境作用等级下的混凝土的初扩散氯离子扩散系数限值，进一步结合本发明再生混凝土多尺度预测模型，该值可以为不同使用年限要求的混凝土的配合比设计与制备提供量化依据。

根据耐久性规范和指南的相关规定得到的c_s、c₀、c_r、d等设计参数如表7所示。

表7不同环境作用等级和设计使用年限下的设计参数

当设计年限分别为30年、50年、100年时，在不同的环境作用等级，由式(67)可以计算得到各水平下混凝土初始氯离子扩散系数的限值，如表8所示。

表8混凝土初始氯离子扩散系数D0的限值

以下结合本发明预测模型，选取表8中环境作用等级为III-C，设计使用年限为30年的混凝土结构的初始氯离子扩散系数限值计算满足要求的再生混凝土的配合比。

再生混凝土氯离子扩散系数随RCA体积分数和水胶比的增加而增大，考虑到低水胶比太低时，混凝土的工作性能很难满足要求，因此为了制备高耐久性(低氯离扩散系数)的再生混凝土，首先考虑降低再生混凝土中再生骨料的体积分数，若取φ_RCA＝10％，由式(64)计算得出各体积分数φ_OA、φ_OITZ、φ_OM、φ_NITZ、φ_NM的数值如表9所示，若再生骨料选用粒径为10-15mm的单粒径骨料，再生骨料来源与案例一中相同，当水胶比为0.38时，若再生混凝土未经受冻融循环作用，则由本发明相关预测模型可以进一步计算得出各分项氯离子扩散系数D_OITZ、D_OM、D_NITZ、D_NM的数值如表9所示，将各体积分数的计算数值和各氯离子扩散系数数值代入式(58)可计算得出再生混凝土的氯离子扩散系数为D_RC＝5.98×10^-12m²/s≤6.1×10^-12m²/s，该值满足环境作用等级为III-C，设计用年限为30年时对混凝土氯离子初始扩散系数限值的要求，可以按相关假设设计配合比，具体配合比设计如表10所示。如若以上设计假设得出的D_RC大于规定的限值，则根据预测公式调整水胶比和再生骨料体积分数，直至D_RC低于规定的限值。

表9预测模型中各相关参数的计算结果

表10环境作用等级为III-C，设计使用年限为30年的再生混凝土配合比设计

综上，本发明预测模型计算得出的氯离子扩散系数预测值与RCM法实测值以及已有模型预测值进行对比，本发明模型预测值与试验值吻合度好，说明了本发明模型的优异性。与此同时，根据所建立的预测模型，结合根据寿命预测理论，考虑到实际工程对混凝土耐久性的不同需求，预选部分模型参数，可以计算得出符合不同使用年限要求的混凝土的具体配合比。因此，本发明一方面能够根据相关材料选用和配合比设计很好的预测饱和再生混凝土的氯离子扩散系数，为设计抗氯离子性能优异的再生混凝土提供参考；另一方面可以结合混凝土寿命预测理论，设计满足不同使用年限要求再生混凝土，有利于促进再生混凝土的抗氯离子渗透研究，为再生混凝土的耐久性研究研究提供新的参考。

总之，本发明考虑到再生混凝土本身尺度结构组成对其氯离子扩散的影响，深入的分析了混凝土材料的多相、多尺度特性，将再生混凝土看作由原始天然骨料(NCA)、老ITZ、老砂浆(OM)、新ITZ和新砂浆(NM)基体组成多尺度材料，从微观到宏观逐步建立了饱和再生混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测理论模型，逐步分析其各尺度结构对其氯离子扩散性能的影响，是研究再生混凝土氯离子扩散特性和规律的有效途径，相比传统方法更具理论基础和实际应用价值。

Claims (10)

1.一种饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型的构建方法，其特征在于：将再生混凝土视为由不同尺度材料构成的水泥基复合材料，从小尺度的硬化水泥浆体开始，逐步过渡到大尺度的再生混凝土，逐步建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于包括以下步骤：

<1>建立水泥净浆氯离子扩散系数预测模型；

<2>建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型；

<3>建立饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。

3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于步骤<1>按以下操作进行：

结合广义自洽法和Moil-Tanaka法，建立硬化水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(1)中，φ，的表达式为：

式(2)中，D_hCSH为水泥中高密度C-S-H凝胶层的扩散系数；D_lCSH为水泥中低密度C-S-H凝胶层的扩散系数；V_α为硬化水泥浆体中高密度C-S-H凝胶层占总水泥体积的体积分数；V_β为硬化水泥浆体中未水化水泥颗粒与高密度C-S-H凝胶层的体积分数之和；

根据基体-夹杂模型有D_hCSH的表达式为：

其中：

式(3)～(5)中，为通过试验和数值计算得到的氯离子在高密度C-S-H凝胶层中的扩散系数；V_hCSH分别是CH、AF、高密度的C-S-H凝胶层基体在高密度C-S-H凝胶层中的体积分数；α_h、β_h为中间变量；

根据多相材料夹杂的Mori-Tanaka法有D_lCSH的表达式为：

其中：

ζ＝V_cap(D_cap-D′_lCSH) (11)

式(6)～(11)中D′_lCSH为水泥水化产物和低密度C-S-H凝胶层基体均匀夹杂后的等效介质层的有效扩散系数；为通过试验和数值计算得到的氯离子在低密度C-S-H凝胶层中的扩散系数；V_cap、V_lCSH分别是CH、AF、毛细孔、低密度的C-S-H凝胶层基体在低密度C-S-H凝胶层中的体积分数；D_cap为毛细孔的有效扩散系数；α_l、β_l、ξ、ζ为中间变量；

硬化水泥浆体各种水化产物的体积分数分别为V_CH、V_AF、V_CSH(V_lCSH和V_hCSH)、未水化的水泥颗粒的体积分数为V_U，毛细孔的体积分数为V_cap，则有：

V_CH+V_AF+V_lCSH+V_hCSH+V_U+V_cap＝1 (12)

且有：

式(2)中V_α、V_β的表达式分别为：

综合式(1)～(15)，得到以各体积参数为变量的水泥净浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(16)中，D_cap为试验和数值计算得出的实测值；假定饱和水泥浆体的质量为1g，根据普通硅酸盐水泥化学反应方程式，得到净浆中各体积分数的预测模型，为：

式(17)～(22)中，n-水泥浆体的初始水灰比；t-龄期；ρ_c、ρ_lCSH、ρ_hCSH-水泥的密度、低密度C-S-H凝胶的密度、低密度C-S-H凝胶的密度；p₁p₂、p₃、p₄-C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF在水泥熟料中的质量分数。

4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于：所述氯离子在高密度C-S-H凝胶层中的扩散系数取氯离子在低密度C-S-H凝胶层中的扩散系数取毛细孔的有效扩散系数D_cap取D_cap＝2.03×10^-9m²/s。

5.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于步骤<2>按以下操作进行：

采用广义自洽法进行预测，建立新砂浆氯离子扩散系数预测模型为：

式(23)中ξ，ζ为中间变量，有：

式(24)中D_HCP为步骤1预测得到的硬化水泥浆体的氯离子扩散系数；D_ITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区ITZ的氯离子扩散系数；V_A为新砂浆中细骨料的体积分数；V_ITZ为新砂浆中细骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区ITZ的体积分数，取值范围为5％-30％；

其中，以水泥为基体的新砂浆的D_ITZ的表达式为：

D_ITZ＝117.563D_HCP·h_ITZ ^-0.8772 (25)

式(25)中h_ITZ为新砂浆中界面过渡区的厚度。

6.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于：所述新砂浆中界面过渡区的厚度h_ITZ取h_ITZ＝25μm。

7.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于步骤<3>按以下操作进行：

将再生混凝土简化看作多尺度的复合球体，根据多孔材料渗透理论，参考广义自洽法和Moil-Tanaka法，得到再生混凝土的氯离子扩散系数多尺度预测模型为：

式(26)中，D_NM为步骤2预测得到的新砂浆的氯离子扩散系数；φ₁为天然骨料、老ITZ、老砂浆、新ITZ的体积分数之和，即φ₁＝φ_OA+φ_OITZ+φ_OM+φ_NITZ；φ_NM为新砂浆的体积分数；D₄为再生骨料和新界面的的组合扩散系数；

将再生骨料嵌入新界面中，根据复合球体的有效扩散系数计算公式得D₄的表达式为：

式(27)中，D_NITZ为新界面的扩散系数，其计算式见式(28)；φ₂为天然骨料、老ITZ、老砂浆的体积分数之和，即φ₂＝φ_OA+φ_OITZ+φ_OM；φ_NITZ为再生混凝土中新砂浆的体积分数；D₃为再生骨料的扩散系数；其余符号表示意义同上；

D_NITZ＝117.563D_NM·h_NITZ ^-0.8772 (28)

式(28)中，h_NITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度；

将天然骨料与老界面视为整体，再嵌入老砂浆中，根据复合球体的有效扩散系数计算公式得D₃的表达式为：

式中(29)，D_OM为老砂浆的扩散系数；φ₃为原始天然骨料、老ITZ的体积分数之和，即φ₂＝φ_OA+φ_OITZ；φ_OM再生骨料表面附着老砂浆的体积分数；D₂为天然骨料与老界面的组合的扩散系数；其余符号表示意义同上；

将天然骨料与老界面嵌合，根据复合球体的有效扩散系数计算公式可得D₂的表达式为：

式(30)中，D_OITZ为老界面的扩散系数，其计算式见式(31)；φ_OM为再生混凝土中老砂浆的体积分数；φ_OITZ老砂浆的体积分数；D_OA为天然骨料的扩散系数；其余符号表示意义同上；

D_OITZ＝117.563D_OM·h_OITZ ^-0.8772 (31)

式(31)中，h_OITZ为再生混凝土中新界面过渡区的厚度；

式(26)～(30)中，φ_NITZ取值范围为0.5％-2.0％，其余各组分的体积分数随再生骨料的体积分数φ_RCA而变化，各体积分数的相关计算公式为：

式(32)中，ψ为再生骨料中附着老砂浆的体积分数，取值范围为30％-45％；其余符号表示意义同上。

8.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于：所述再生混凝土中新界面过渡区的厚度h_NITZ取h_NITZ＝45μm，老砂浆的扩散系数D_OM取D_OM＝6.9D_NM，天然骨料的扩散系数D_OA取D_OA＝0.210^-12m²/s，再生混凝土中新界面过渡区的厚度h_OITZ取h_OITZ＝55μm，φ_NITZ取为0.75％，再生骨料中附着老砂浆的体积分数ψ取为33％。

9.权利要求1所述构建方法在再生混凝土配合比设计方面的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于将所述饱和再生混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型和混凝土寿命预测理论相结合，计算得出在不同环境使用等级下，满足不同使用年限要求的再生混凝土的配合比。