混凝土中氯离子浓度预测的研究现状

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　　【摘要】：氯离子侵蚀是混凝土结构耐久性研究的重要内容,可以为钢筋锈蚀、寿命预测等提供理论支持。本文就Fick第二定律的适用性、氯离子结合理论的应用和海水耐蚀剂的作用等问题展开讨论。
　　【关键词】：混凝土 耐久性 氯腐蚀 Fick定律 结合理论 耐蚀剂
　　国内外对基于氯离子传输的混凝土耐久寿命模型进行了大量的研究，成果主要集中于应用Fick第二扩散定律来预测饱和混凝土的氯离子扩散使钢筋锈蚀的使用寿命。自从Collepardi[65]于1972年提出了基于Fick第二定律计算氯离子扩散系数的方法，Fick第二定律被普遍应用于混凝土中氯离子扩散的研究中。Fick定律虽然得到了比较广泛的应用，但它是基于以下假定提出的：①材料必须是均质的；②氯离子不与材料发生反应；③材料的氯离子扩散系数必须恒定；④不考虑荷载引起的裂缝。
　　事实上以上假设并不确切，首先，从氯离子侵蚀诱导钢筋锈蚀影响钢筋混凝土结构耐久性出发，研究的关键是保护层范围内的氯离子扩散，而在这一范围内，由于边界效应，混凝土的骨料分布是不均匀的[66]；其次，混凝土对氯离子具有一定的结合能力，氯离子可以同水化生成物结合生成复盐或进入凝胶结构或被混凝土的内部孔隙物理吸附；再者，扩散系数D是用来反映混凝土对氯化物侵蚀抵抗能力的参数，在常规的Fick扩散方程中假定D为常量，这与实际情况并不吻合。由于混凝土是一种水硬性材料，其水化过程需要经过很长时间才能完成，随着混凝土的不断水化，其内部结构越来越密实，因此氯离子扩散系数D是一个随时间、氯离子浓度等条件变化的参数。实际上，不仅Fick定律的理论假设与实际混凝土材料相差甚远,而且其数学解也与实际混凝土的试验结果相差较大[67]。尽管Fick定律可以用来预测使用寿命，但至今仍没有建立完整的理论体系[68]，一些学者已对Fick第二定律的合法性提出了质疑。
　　实际应用中，氯离子在混凝土中的渗透性一般通过加速试验确定，这些加速试验主要应用压力、浓度梯度或电学方法等测定氯离子的扩散性能[69]。很多研究者从影响氯离子扩散系数的因素出发，试验研究了结构[70-75]、环境[76-79]、养护条件[80-83]、水泥与掺合料[75,84-94]、荷载[95-98]等因素对扩散系数的影响情况，定性、定量的得到了一些研究成果。
　　已有的研究成果显示，环境的氯离子浓度对氯离子向混凝土中扩散有影响，不同的环境条件，氯离子浓度具有一定的差异。氯离子侵蚀钢筋混凝土的环境可以分为海洋环境（浸没区、潮汐区、浪溅区、大气区）、除冰盐环境和盐湖地区及工业环境等情况。2002年出版的日本土木学会混凝土标准提出近海大气区的混凝土表面氯离子浓度（用混凝土质量比表示）为：浪溅区0.65%，岸线附近0.45%，离海岸距离0.1km处0.225%，0.25km处0.15%，0.5km处0.1%，1km处0.075%。而美国ACI365委员会开发的一个用于使用寿命设计的计算程序中，取海上和近海盐雾区的混凝土表面氯离子浓度值为：潮汐浪溅区为瞬时到定值0.8%，海上盐雾区以每年0.1%的累积速度到最终定值1.0%，离海岸800m内以每年0.04%的累积速度到最终定值0.6%，离海岸1.5km内以每年0.02%的累积速度到最终定制0.6%[104]。贾道祥[105]给出了环境影响系数的取值（表1.1），通过环境影响系数对扩散系数进行线性修正。但其研究仅针对于海洋环境，且各种海洋环境的区分并没有明确的界限，因此具有很大的局限性。
　　已有的研究成果在预测混凝土中氯离子浓度分布时往往不考虑钢筋的存在。事实上，钢筋的存在将阻碍氯离子的传输，使氯离子的传输路径发生改变，进而影响氯离子浓度的分布情况，忽视钢筋影响将高估钢筋上表面位置处的氯离子浓度达到临界值所需的时间，进而高估了钢筋锈蚀开始时间，因而研究考虑钢筋影响时的氯离子传输规律，对于准确地预测钢筋混凝土结构锈蚀损伤耐久寿命具有重要意义。从理论上实现对考虑钢筋影响时构件截面内氯离子浓度分布规律的研究是极其困难的，Burden[138]基于Fick定律的扩散方程，将钢筋截面简化成8边形并应用数值分析对考虑钢筋存在时构件截面内的氯离子浓度分布进行了研究；Stanley [139]采用相同的简化方式研究了考虑钢筋影响时所预测的锈蚀开始时间的衰减系数（考虑钢筋影响时的预测结果与Fick第二扩散定律扩散方程预测结果的比）随钢筋直径与保护层厚度比值变化的规律，以及变参数下，考虑钢筋与不考虑钢筋时对预测结果的影响。但以上研究的方法和结论均只局限于氯离子来源于一个边界，而对于两个边界同时遭受氯离子侵袭的情况（如梁和矩形截面柱的角部）及其它复杂的多边界情况如异型截面构件则不能适用，因而缺乏普适性，而且所做的简化偏离了工程实际情况。若以钢筋上表面保护层深度处氯离子浓度达到临界值判断钢筋锈蚀开始耐久寿命，则这一简化又夸大了钢筋上表面对氯离子传输的阻碍作用，理论上低估了钢筋锈蚀开始时间。因而，考虑钢筋存在情况下建立钢筋周围氯离子浓度分布的预测方法，对于合理准确地预测钢筋锈蚀起始时间是有重要意义的，需要进一步研究。
　　现有模型都是基于一维扩散方程预测混凝土使用寿命，而实际混凝土尤其是边角处混凝土多属于二维甚至三维渗透过程。虽然，Fick定律同时可以描述直角坐标和柱坐标时的混凝土中氯离子扩散，但囿于初始边界条件的限制使得求解很困难，因此已有的研究成果中关于一维扩散以外的研究很少。研究二维扩散问题及其数值解对于正确合理评估混凝土使用寿命具有重要意义，Suryavanshi[140]在假定混凝土为各向同性均质材料基础上，得出了二维扩散控制方程，并给出了初始浓度为零时的解析解。对圆形截面，异形截面等多边界同时遭受氯离子侵袭情况下的研究却鲜有报道。
　　对氯离子扩散的研究大都是基于Fick定律，在水饱和混凝土未开裂情况下考虑扩散系数的各种影响因素基础上的修正。众多学者在氯离子向混凝土内传输方面作了许多有益的工作。对氯离子传输进行预测的一个关键变量就是氯离子的扩散系数。对已有研究成果的分析认为，扩散系数的确定是一个耗时且不能完全精确的过程，由于数学背景不充分和各种困难而使得扩散系数的估计很繁冗。困难之一就是对扩散系数估计方法的系统又简化地解释，再有就是与渗透过程有关的主要数学关系应用时，所包含的假设和不确定性。不同的研究者提出的评估方法，使得在选择合适恰当的模型应用时显得无所适从。对氯离子扩散的预测无论是理论的还是经验的，多是基于Fick定律基础上提出的两类模型。以往的氯离子传输预测模型均是基于未开裂混凝土在饱和盐溶液作用下的试验分析，即使对实际在役结构的测试数据，也多是基于上述情况进行的回归处理。对氯离子侵蚀混凝土的研究也由单一的扩散向多机理共同作用的方向发展。相应地，一些新的研究方法也不断得以应用，如模糊理论[149]、统计分析技术[150]、神经网络技术[151]等。探讨更多的研究方法，从不同的角度去实现氯离子浓度分布的预测应该是一个不错的选择。已有的研究成果众多，但多数未得到广泛的工程验证。有些预测模型近乎合理，但具体应用时参数难以确定，也使得很难获得广泛的应用。经验预测公式的形式虽简单,但是往往不能全面包含影响因素,而且不同环境条件下不同结构实测钢筋锈蚀量的离散性较大,因此现有的经验模型还有待工程实测结果的进一步验证和修正。

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