CN114279901B - 一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，包括：将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数数据；建立迁移系数关于养护龄期的表达式；得到与养护龄期相关的系数n的表达式；得到描述不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数用非线性数学模型，该模型为养护龄期和暴露时间的函数形式。本发明基于试验建立非线性数学模型可以快速评估不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数，能够解决现有的氯离子自然扩散试验费时费力以及现有氯离子扩散系数模型存在缺陷的问题。

Description

一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法

技术领域

本发明涉及海洋环境下混凝土耐久性评估技术领域，具体而言涉及一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，通过快速氯离子迁移系数法，建立氯离子扩散系数表达式，快速评估不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数。

背景技术

海洋环境中的混凝土结构由于受到氯盐侵蚀而降低耐久性甚至破坏，严重影响混凝土结构的使用寿命。在实际工程中，对于某些结构例如海上平台、海底隧道、海岸堤等，这些混凝土结构在氯盐环境下的耐久性不仅受到暴露于氯盐环境时间的影响，还受到施工过程中养护龄期的影响，现有的关注点普遍集中在暴露于氯盐环境的时间上，很少集中于养护龄期。因此，重点关注养护龄期对氯离子扩散的影响，找到一种快速评估氯离子扩散系数的方法对海洋混凝土耐久性评估和延长使用寿命具有重要意义。

2019.10.22公开的专利号为CN110361302A的发明中提及了一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，包括：(1)制备试件；(2)养护试件：将试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或埋置在盐渍土中；(3)钻孔取样：取出试件拭干表面水份或清除盐渍土，在试件两个相对侧面的对角线的固定位置取样，从试件两个相对侧面采集不同深度的混凝土样品；(4)化学分析：测定样品中不同氯离子扩散深度总氯离子浓度和自由氯离子浓度；(5)氯离子扩散参数数据处理：根据各平均深度自由氯离子浓度、混凝土表面自由氯离子浓度及混凝土内部的初始氯离子浓度制作扩散深度一浓度曲线，根据氯离子三维扩散模型和三维SAS进行回归分析，计算混凝土在不同腐蚀条件下表观氯离子扩散系数。

现有测定氯离子扩散系数的方法仍然主要基于自然扩散法，该方法需对混凝土进行长时间的浸泡，再通过逐层磨粉、浓度滴定、数据拟合等步骤，得到混凝土的氯离子扩散系数，过程复杂，消耗的时间和人力较多。同时现有的氯离子扩散系数模型主要考虑了暴露时间的影响，很少考虑养护龄期和暴露时间共同作用的影响。因此难以针对实际环境进行氯离子扩散系数的计算以及耐久性的分析。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，基于快速氯离子迁移系数法建立非线性数学模型快速评估不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数，能够解决现有的氯离子自然扩散试验费时费力以及现有氯离子扩散系数模型存在缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，所述快速评估方法包括以下步骤：

S1，将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数；

S2，根据步骤S1所得的氯离子迁移系数数据，建立迁移系数关于养护龄期的表达式：

式中：T为养护龄期，D₀为参考迁移系数，a₁、b₁为参数；

S3，根据步骤s1所得的氯离子迁移系数数据，得到与养护龄期相关的系数n的表达式：

式中：c₁、d₁为参数；

S4，结合步骤S2所得的迁移系数关于养护龄期的表达式、步骤S3所得的系数n的表达式，得到描述不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数用非线性数学模型，该模型为养护龄期和暴露时间的函数形式：

式中：t为在氯盐环境中的暴露时间。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S1中，所述混凝土试件的尺寸为Φ100mm×50mm。

进一步地，步骤S1中，将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数的过程包括以下步骤：

S11，将多个混凝土试件在20℃、95％湿度条件下分别养护3天、7天、14天和28天；

S12，将养护完成的多个混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，在混凝土试件两侧施加30V电压，通电12小时；

S13，通电结束后，采用切割机将混凝土试件沿轴向切割成大小相等的两部分并向切面喷洒0.1mol/L的AgNO₃溶液以获得变色深度，根据变色深度计算出氯离子迁移系数。

进一步地，步骤S2中，根据迁移系数数据计算得到表达式参数a₁、b₁，计算过程包括：

S21，选择D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)，并将其建立于一个坐标系中，该坐标系y坐标为D(T)/D(28)，x坐标为T；

S22，将改写为/>

S23，根据已有的与养护龄期相关的迁移系数D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)，采用最小二乘法确定表达式参数a₁、b₁。

进一步地，所述表达式参数a₁、b₁的取值分别为：a₁＝0.95，b₁＝1.36。

进一步地，步骤S3中，通过迁移系数数据确定表达式参数c₁、d₁，计算过程包括：

s31，根据表达式D(T)/D₀＝(28/T)ⁿ，计算出养护龄期为3天、7天、14天、28天时n的值n(3)、n(7)、n(14)、n(28)，并将其建立与一个坐标系中，该坐标系y坐标为n，x坐标为T；

S32，根据以及已有的n的值n(3)、n(7)、n(14)、n(28)，采用最小二乘法确定表达式参数c₁、d₁。

进一步地，所述表达式参数c₁、d₁的取值分别为：c₁＝0.26，d₁＝8.28。

进一步地，所述参考迁移系数D₀为养护28天试件对应的迁移系数。

进一步地，所述快速评估方法还包括以下步骤：

将结合获得的a₁、b₁、c₁、d₁的取值，利用商业数值分析软件COMSOL建立混凝土氯离子扩散模型，并求解对应养护龄期和暴露时间的混凝土中的自由氯离子含量分布情况，与实验测得的自由氯离子含量进行对比。

本发明公开了一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，该方法基于快速氯离子迁移系数法测得氯离子迁移系数的瞬时性原理，通过快速氯离子迁移系数法建立了快速评估不同养护龄期混凝土的氯离子扩散系数计算模型，本发明的评价模型解决基于传统自然扩散法测定氯离子扩散系数所需时间较长的问题，提出一种快速确定氯离子扩散系数的方法，该方法建立的模型能够计算不同养护龄期和不同暴露时间共同作用下的氯离子扩散系数，简便易用，准确度高，为海洋环境下混凝土结构的耐久性分析和使用寿命研究提供新的手段，具有广泛应用前景。

本发明的有益效果是：

本发明的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，建立的数学模型可以快速评估不同养护龄期和不同暴露时间共同作用下的混凝土氯离子扩散系数，其简便易用，准确性高，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施例2中参数a₁、b₁确定示意图。

图2是实施例2中参数c₁、d₁确定示意图。

图3是基于实施例1与实施例2养护3天，暴露80天分析结果利用商业软件COMSOL求解得到的自由氯离子含量分布情况与氯离子含量实测值的对比图。

图4是基于实施例1与实施例2养护14天，暴露80天分析结果利用商业软件COMSOL求解得到的自由氯离子含量分布情况与氯离子含量实测值的对比图。

图5是基于实施例1与实施例2养护3天，暴露160天分析结果利用商业软件COMSOL求解得到的自由氯离子含量分布情况与氯离子含量实测值的对比图。

图6是基于实施例1与实施例2养护7天，暴露160天分析结果利用商业软件COMSOL求解得到的自由氯离子含量分布情况与氯离子含量实测值的对比图。

图7是本发明的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图7是本发明的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法流程图。参见图7，该快速评估方法包括以下步骤：

S1，将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数。

S2，根据步骤s1所得的氯离子迁移系数数据，建立迁移系数关于养护龄期的表达式：

式中：T为养护龄期，D₀为参考迁移系数，a₁、b₁为参数。

S3，根据步骤S1所得的氯离子迁移系数数据，得到与养护龄期相关的系数n的表达式：

式中：c₁、d₁为参数。

S4，结合步骤S2所得的迁移系数关于养护龄期的表达式、步骤S3所得的系数n的表达式，得到描述不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数用非线性数学模型，该模型为养护龄期和暴露时间的函数形式：

式中：t为在氯盐环境中的暴露时间。

本实施例提供一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，通过快速氯离子迁移系数法建立了快速评估不同养护龄期混凝土的氯离子扩散系数计算模型，模型为养护龄期和暴露于氯盐环境时间的函数形式：

式中：T为养护龄期，D₀为参考迁移系数，t为暴露与氯盐环境的时间，a₁、b₁、c₁、d₁表征与养护龄期相关的参数。

某BCCP管道保护层为C50混凝土，由于管道所处环境为氯盐环境，因此需对其保护层在氯盐环境下的耐久性进行评估。

实施例1

采用管道保护层所用的混凝土，成型100mm×100mm×100mm的试件，20℃和95湿度下养护3天、7天、14天，养护完成后暴露于氯盐溶液中进行自然扩散试验，暴露80天、160天后将试件逐层取粉并测定每一层的自由氯离子含量，根据每一层的自由氯离子含量利用菲克第二定律进一步分析得到氯离子扩散系数。从分析的过程和结果来看，传统的自然扩散法测定不同养护龄期的混凝土氯离子扩散系数费时费力，并且获得的氯离子扩散系数为一定值，不符合实际状况。

实施例2

采用管道保护层所用的混凝土，成型Φ100mm×50mm的试件，20℃和95湿度下养护3天、7天、14天、28天，养护完成后放入非稳态电迁移试验装置中，在试件两侧施加30V电压通电12小时。通电结束后，用切割机将试件沿轴向切割成大小相等的两部分并向切面喷洒0.1mol/L的AgNO₃溶液以获得变色深度，根据变色深度进一步计算出氯离子迁移系数。

建立相应的数据并整理，试验结果如表1所示：

表1不同养护龄期的氯离子迁移系数

养护龄期(天)	3	7	14	28
					迁移系数(10-12m2/s)	6.62	5.14	4.61	4.44

下面通过迁移系数数据确定步骤2中的表达式参数a₁、b₁，具体步骤为：

选择D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)，并将其建立于一个坐标系中，该坐标系y坐标为D(T)/D(28)，x坐标为T，如图1所示，此时将改写为/>根据已有的D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)可用最小二乘法确定表达式参数a₁＝0.95，b₁＝1.36。表达式与实验数据拟合效果见图1。

下面通过迁移系数数据确定步骤3中的表达式参数，具体步骤为：

根据表达式D(T)/D₀＝(28/T)ⁿ，计算出养护龄期为3天、7天、14天、28天时n的值n(3)、n(7)、n(14)、n(28)，并将其建立与一个坐标系中，该坐标系y坐标为n，x坐标为T，如图2所示，此时根据以及已有的可用小二乘法确定表达式参数c₁＝0.26，d₁＝8.28。表达式与实验数据拟合效果见图2。

为证明本发明方案的有效性，对上述氯离子扩散系数模型进行验证，具体步骤为：

将结合获得的a₁＝0.95，b₁＝1.36，c₁＝0.26，d₁＝8.28，利用商业数值分析软件COMSOL建立混凝土氯离子扩散模型，并求解对应养护龄期和暴露时间的混凝土中的自由氯离子含量分布情况，然后与实施例1中实验测得的自由氯离子含量进行对比。

基于有限元法，利用商业数值分析软件COMSOL建立混凝土氯离子扩散模型。根据实施例1测定得到的混凝土试件的表面氯离子含量0.72％和0.63％，利用商业数值分析软件COMSOL求解得到养护龄期为3天、14天，暴露时间为80天时混凝土中的自由氯离子含量分布情况。

图3和图4分别为商业数值分析软件COMSOL求解得到的养护龄期为3天、14天，暴露时间为80天时混凝土中的自由氯离子含量分布情况与实施例1中实验测得的自由氯离子含量的对比图，图中实线所示曲线为商业数值分析软件COMSOL计算得到的混凝土中自由氯离子含量，图中所示的数据点为实施例1中自由氯离子含量实测值。从图3和图4可以看出，使用商业数值分析软件COMSOL计算得到的自由氯离子含量值与实际测定值基本吻合，说明使用本发明方法分析得到的混凝土试件的氯离子扩散系数模型是合理的，验证了本发明方法的有效性。

基于有限元法，利用商业数值分析软件COMSOL建立混凝土氯离子扩散模型。根据实施例1测定得到的混凝土试件的表面氯离子含量0.75％和0.71％，利用商业数值分析软件COMSOL求解得到养护龄期为3天、7天，暴露时间为160天时混凝土中的自由氯离子含量分布情况。

图5和图6为商业数值分析软件COMSOL求解得到的养护龄期为3天、7天，暴露时间为160天时混凝土中的自由氯离子含量分布情况与实施例1中实验测得的自由氯离子含量的对比图，图中实线所示曲线为商业数值分析软件COMSOL计算得到的混凝土中自由氯离子含量分布值，图中所示的数据点为实施例1中自由氯离子含量实测值。从图5和图6可以看出，使用商业数值分析软件COMSOL计算得到的自由氯离子含量值与实际测定值基本吻合，说明使用本发明方法分析得到的混凝土试件的氯离子扩散系数模型是合理的，进一步验证了本发明方法的有效性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，所述快速评估方法包括以下步骤：

S1，将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数数据；

S2，根据步骤S1所得的氯离子迁移系数数据，建立迁移系数关于养护龄期的表达式：

式中：T为养护龄期，D₀为养护28天试件对应的迁移系数，a₁、b₁为参数；

S3，根据步骤S1所得的氯离子迁移系数数据，得到与养护龄期相关的系数n的表达式：

式中：c₁、d₁为参数；D(T)/D₀＝(28/T)ⁿ；

S4，结合步骤S2所得的迁移系数关于养护龄期的表达式、步骤S3所得的系数n的表达式，得到描述不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数用非线性数学模型，该模型为养护龄期和暴露时间的函数形式：

式中：t为在氯盐环境中的暴露时间。

2.根据权利要求1所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，步骤S1中，所述混凝土试件的尺寸为Ф100mm×50mm。

3.根据权利要求1所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，步骤S1中，将混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，通过快速氯离子迁移系数法测得混凝土试件的氯离子迁移系数的过程包括以下步骤：

S11，将多个混凝土试件在20℃、95％湿度条件下分别养护3天、7天、14天和28天；

S12，将养护完成的多个混凝土试件放入非稳态电迁移试验装置中，在混凝土试件两侧施加30V电压，通电12小时；

S13，通电结束后，采用切割机将混凝土试件沿轴向切割成大小相等的两部分并向切面喷洒0.1mol/L的AgNO₃溶液以获得变色深度，根据变色深度计算出氯离子迁移系数。

4.根据权利要求1所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，步骤S2中，根据迁移系数数据计算得到表达式参数a₁、b₁，计算过程包括：

S21，选择D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)，并将其建立于一个坐标系中，该坐标系y坐标为D(T)/D(28)，x坐标为T；

S22，将改写为/>

S23，根据已有的与养护龄期相关的迁移系数D(3)/D(28)、D(7)/D(28)、D(14)/D(28)、D(28)/D(28)，采用最小二乘法确定表达式参数a₁、b₁。

5.根据权利要求4所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，所述表达式参数a₁、b₁的取值分别为：a₁＝0.95，b₁＝1.36。

6.根据权利要求1所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，步骤S3中，通过迁移系数数据确定表达式参数c₁、d₁，计算过程包括：

S31，根据表达式D(T)/D₀＝(28/T)ⁿ，计算出养护龄期为3天、7天、14天、28天时n的值n(3)、n(7)、n(14)、n(28)，并将其建立与一个坐标系中，该坐标系y坐标为n，x坐标为T；

S32，根据以及已有的n的值n(3)、n(7)、n(14)、n(28)，采用最小二乘法确定表达式参数c₁、d₁。

7.根据权利要求6所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，所述表达式参数c₁、d₁的取值分别为：c₁＝0.26，d₁＝8.28。

8.根据权利要求1所述的不同养护龄期混凝土氯离子扩散系数的快速评估方法，其特征在于，所述快速评估方法还包括以下步骤：

将结合获得的a₁、b₁、c₁、d₁的取值，利用商业数值分析软件COMSOL建立混凝土氯离子扩散模型，并求解对应养护龄期和暴露时间的混凝土中的自由氯离子含量分布情况，与实验测得的自由氯离子含量进行对比。