2016, Vol. 6引用本文 |
| 圆形截面下混凝土中氯离子扩散的数值模拟 |  [PDF全文] |
2. 西南科技大学环境与资源学院, 四川 绵阳 621000
2. School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China
钢筋混凝土是由混凝土与钢筋组合而成[1].目前钢筋混凝土的耐久性不足所引起工程方面的问题变得越来越突出.
研究表明，钢筋锈蚀是港口钢筋混凝土结构耐久性不足的主要因素之一[2-3].钢筋发生锈蚀的前提是钢筋表面的钝化膜失效，其中氯离子侵蚀和混凝土碳化是钝化膜失效的2个主要原因.相对于氯离子侵蚀的影响，对处于海洋环境中的港口码头混凝土碳化的作用显得微乎其微，因此氯离子侵蚀是造成港口钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的主要原因[4].当钢筋表面的氯离子浓度累积到临界浓度时，钢筋表面的钝化膜就会遭到破坏，从而引发钢筋锈蚀[5].钢筋锈蚀给世界各国带来了巨大的经济损失，由此看来氯离子扩散情况十分严峻，掌握它的扩散模型从而治理是刻不容缓的[6]，因此，研究在钢筋混凝土中的氯离子扩散是具有明显的经济效益和重大的社会意义，而实际处于海洋环境的钢筋混凝土结构的大多数构件的截面都是圆形的，例如海港码头的承力柱和跨海大桥的桥墩等，因此，圆形截面下氯离子扩散的研究在实际工程中具有重大的意义.
由于跨海大桥服务年限久远、所处环境复杂等原因，使跨海大桥的耐久性研究不能在现实的实验环境中完成.在众多研究方法中，数值模拟是最能在复杂的环境条件下描述实际的情况.comsol是以有限元分析方法为基础的大型高级的数值仿真软件，能够解决多物理场的耦合问题，以其非凡的计算性能和出色的易用性以及自由的开放性，实现了对任意的多物理场的数值仿真.袁承斌等[7]对试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm在不同应力状态下的混凝土进行了抗氯离子侵蚀的实验研究，刘莹等[8]采用comsol对文献[7]实验进行了数值模拟研究，结果显示comsol数值模拟结果与文献[7]的实验值误差在5 %以内，模拟的精度非常高.说明comsol对长期处于氯盐环境状态下的混凝土进行的氯离子扩散数值模拟是可以作为参考的.对跨海大桥诱导期的预测是可行的.基于此，本文利用comsol模拟圆形截面下混凝土中氯离子的扩散模型.并将模型运用到实际的工程中，对该工程的诱导期进行预测.
1 探讨水灰比、保护层厚度与诱导期之间的关系相关实验数据显示，处于海洋环境中的结构其服役期限以诱导期为主，而该阶段的影响因素最多、时间也最长，从耐久性设计方向考虑，想要延长钢筋混凝土结构的服役期限，控制诱导期阶段是最有效、最实际的[9].
1.1 研究位置分析据我国在掩护海港的调查，海港出现钢筋锈蚀现象最严重的地方是设计的高水位以上1.0 m到设计的高水位以下0.8 m之间的浪溅区，处于浪溅区的钢筋混凝土腐蚀是最快的.因此本课题选择浪溅区的混凝土构件作为研究对象.
1.2 材料的确定前面确定了课题研究的位置为浪溅区，根据《JTJ-275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的要求，浪溅区混凝土必须使用高性能混凝土.因为海港工程中所使用的高性能混凝土，除了必须具备良好的工作性及较高强度之外，还应具有较高的抗氯离子渗透性和稳定性，这样才能起到减缓浪溅区腐蚀的作用.因此，本课题所研究的材料定为高性能混凝土.
1.3 模拟步骤1）确定模型方程.本课题研究的是圆形截面下混凝土中氯离子扩散的数值模拟，而影响氯离子扩散的主要影响因素是氯离子扩散系数，因此，采用偏微分方程的系数型偏微分方程来进行模拟是最好的选择.系数型偏微分方程的基本式为：
| $ {e_a}\frac{{{\partial ^2}C}}{{\partial {t^2}}} + {d_a}\frac{{\partial C}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \left( {-c\nabla C-\alpha C + \gamma } \right) + \beta \cdot \nabla C + a \cdot C = f $ | (1) |
式（1）中，C为扩散系数；a为吸收系数；f为源项；ea为质量系数；da为衰减或质量系数；α为守恒通量对流系数；β为对流系数；γ为守恒通量源.
2）建立物理模型.建立的物理模型主要考虑2个参数，即钢筋直径及保护层厚度.混凝土的保护层厚度对阻碍钢筋的腐蚀起着十分重要的作用[10].首先，增加保护层的厚度可以明显地延迟腐蚀介质即氯离子到达钢筋表面所需的时间；其次，可以增强抵抗由钢筋腐蚀造成的胀裂力，但是如果保护层过厚，会导致混凝土的裂缝增大.所以，为了防止处于海水环境中的建筑物过早地发生钢筋腐蚀，除了要求混凝土的保护层有比较好的质量外，即拥有高密实性，还应该规定处于不同环境中的混凝土的保护层的最小厚度值.《JTJ-275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定，处于浪溅区的混凝土的保护层至少50 mm，而且不应超过80~100 mm，过大的保护层厚度会影响混凝土的功能，因此本课题对于保护层的厚度取值（单位为mm）为：50、55、60、70、75、80.然后根据选取的不同钢筋直径与保护层厚度建立物理模型.如图 1所示.c2为钢筋半径，c1为钢筋直径加保护层厚度的半径.
 |
| 图 1 圆形截面桥墩物理模型图 Fig. 1 Circular section piers physical model |
3）参数的确定.以fick第二定律为理论基础[11-13]，与选取的系数型偏微分方程相对应，因此首先要确定的是扩散系数.综合课题所选的材料以及方程可行性考虑，本文选取的日本土木协会的一个预测氯离子扩散系数的公式[14]，如式（2）：
| $ \log D = - 3.0{\left( {W/C} \right)^2} + 5.4\left( {W/C} \right) - 2.2 $ | (2) |
式（2）中：D为氯离子有效扩散系数，cm2/a；W/C为混凝土水灰比.水灰比是指将砂浆、水泥浆以及混凝土混合料拌制时，水和水泥的质量比.其大小反应出混凝土抗氯离子侵蚀的能力[15]《JTJ-275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定，水灰比的最大允许值不能超过0.45.但是水灰比也不可能无限制地小，太小会导致混凝土无法调制.因此本课题选取的水灰比为0.28、0.32、0.35、0.38、0.40和0.45.将选取的水灰比代入式（2）得到的氯离子扩散系数，具体见表 1，再将该值代入fick第二定律，然后将得到的fick第二定律公式与系数型偏微分方程的普通式（1）进行对应，从而设定好该模型的参数.
| 表1 选取的扩散系数的值 Table 1 Diffusion coefficient selected |
 |
| 点击放大 |
4）设定边界条件.设定的边界条件是混凝土内的氯离子浓度和混凝土外的氯离子浓度，而混凝土内的氯离子浓度相较于混凝土外的氯离子浓度，其浓度显得微不足道，因此忽略混凝土内的氯离子浓度，即忽略初始氯离子浓度.而混凝土外的混凝土浓度就选取根据实际调查所得的数据.具体数据如表 2.选取北方作为模拟的地点，即边界条件设为0.9 %.
| 表2 混凝土表面的氯离子浓度/% Table 2 Concrete surface chloride ion concentration /% |
 |
| 点击放大 |
5）生成网格.该模型用三角形网格剖分.
6）设置瞬态步长.本课题的模型是建立在一年为一个单位进行观察，所以设置时间为0~50 a，步长为一年，这样便于我们观察每一年氯离子侵蚀的变化以及达到氯离子浓度极限的时间.
7）求解.
1.4 结果分析临界氯离子浓度是激发钢筋锈蚀的前提，只有达到了临界氯离子浓度，钢筋才会开始锈蚀[16]，不同地区的不同混凝土结构中，钢筋开始锈蚀的氯离子浓度极限值都不一样，它受许多因素的影响，例如混凝土的配合比，水泥和掺合料的成分、类型以及掺量，混凝土内部的温度以及含水量，混凝土的孔隙结构及孔隙率，钢筋的表面属性，即组成成分，在孔隙液中的其他物质的含量（比如碱性物质），以及其它与氯离子渗透有关的来源等.根据实际调查所得选取数据，见表 3，由于研究的是北方地区，所以选取0.06 %作为临界氯离子浓度[17].
| 表3 各地区的临界氯离子浓度取值/% Table 3 Critical concentration of chloride ions in different regions of the typical % |
 |
| 点击放大 |
根据钢筋的直径选取了部分水灰比值和保护层厚度，观察钢筋直径对诱导期的具体影响，得到表 4.
| 表4 水灰比、保护层厚度对诱导期的影响/a Table 4 Influence of the thickness of protection layer, water cement ratio for induction period /a |
 |
| 点击放大 |
由表 4可以得出以下结论：
1）当水灰比一定时，诱导期随保护层厚度的增大而升高.由此可得出：增大保护层厚度可以显著提高诱导期；
2）当保护层厚度相同时，诱导期随水灰比降低而升高，由此可得：水灰比越低对诱导期的影响也就越明显，如当保护层为75 mm时，水灰比为0.28的诱导期是水灰比为0.45的诱导期的3倍多，这个影响是十分明显的.但如前所述，水灰比也不可能无限制地小，太小会导致混凝土无法调制.
3）从表 4亦可看出诱导期最长为49 a，即最多49 a以后就会出现钢筋腐蚀，如果不及时处理，损失将会不断变得严重；但尽管是最理想的水灰比和保护层厚度的组合，不加任何涂层，诱导期时间也是不理想的，正是这个原因，现在的跨海大桥的混凝土结构都必须使用一定的抗氯离子侵蚀的涂层.
2 某跨海大桥诱导期预测该桥所处海域的水文条件特别复杂，水流急，而且紊乱、潮差大、涌浪多变，施工条件尤为艰难.其设计的使用年限为100 a，由于该桥梁的混凝土结构处于十分恶劣的海水环境中，对混凝土的耐久性要求十分严格，要求所有的结构混凝土具有高度的抗裂能力和抗海水的氯离子渗透的能力，其桥墩设计水灰比为0.30.桥墩全部使用的是高性能混凝土，而且将钢筋的保护层厚度增加到了75 mm，浪溅区的平均氯离子浓度为10.787 g/kg[18].
当钢筋出现锈蚀时，首先出现在最外部的钢筋，而桥墩是圆柱体，氯离子从外部扩散到内部是同向的，最外部的每根钢筋腐蚀情况差不多，因此研究一个钢筋的腐蚀情况基本上能代表桥墩的前期腐蚀情况.由于前面模拟的结果显示在混凝土耐久性失效的第一阶段，钢筋的直径大小对诱导期的长短基本没有影响，所以可以任意选取一根钢筋的直径，本课题选取的是直径为50 mm的钢筋.根据上面给的信息，对未加任何表面涂料的桥墩的混凝土结构的氯离子扩散情况进行模拟，并对其诱导期进行监控，得到图 2.
 |
| 图 2 某跨海大桥桥墩氯离子扩散二维绘图 Fig. 2 Sea crossing bridge piers of chloride ion diffusion in 2D drawing group |
从图 2可以得出，混凝土表面在不加任何涂层的情况下，氯离子浓度就会达到极限，离设计的100 a寿命还很遥远，对于桥梁来说十分危险，再绘制钢筋表面的点来绘制点绘图 3，观察氯离子积累的过程.
 |
| 图 3 某跨海大桥桥墩钢筋表面一维绘图组的点绘图 Fig. 3 Piers reinforced surface plot point one-dimensional drawing group |
由图 3可以得出：20 a内，钢筋表面的氯离子几乎没有，20 a以后氯离子迅速增加；在第41年时，钢筋发生锈蚀，表面的钝化膜就会遭到破坏，此时如果不及时采取措施，后面的腐蚀速度会更快.该桥如果没有在混凝土外加涂料的话，使用年限会大大地降低，所以在氯离子进入到混凝土表面积累到浓度极限的这个过程必须要控制好.
为了验证该桥模拟一根钢筋能代表混凝土前期腐蚀情况的可行性，做了一个简略的配筋图，如图 4所示.
 |
| 图 4 某跨海大桥桥墩配筋情况 Fig. 4 Pier reinforcement Figure |
该桥墩模拟所需的条件与上面的条件一致，根据所得的结果选取最外层钢筋表面的任意4个点绘制点绘图，根据这4个点分别得到图 5的点绘图.
 |
| 图 5 某跨海大桥桥墩任意4个点钢筋表面一维绘图组 Fig. 5 Steel surface one-dimensional graphics group for pier any four points |
从图 5可以看出，处于最外层钢筋的腐蚀情况是一致的，而且其受到氯离子侵蚀达到临界浓度的年限也与模拟一根钢筋的模拟结果是相同的.可见，模拟最外层钢筋的腐蚀情况能代表桥墩的前期腐蚀情况，和具体配筋形式没有关系.
3 对某跨海大桥提出建议措施从前面的模拟结果可以看出，在浪溅区的建筑物中氯离子一旦进入混凝土，扩散就不容易受到控制了，而且腐蚀一旦达到第一阶段，问题就会变得十分严重，很难控制.
1）从模拟的结果来看，水灰比的选取极其重要，在不影响混凝土性能的前提下，尽可能地降低水灰比，这样氯离子扩散速度会减慢，达到氯离子浓度极限的时间，即诱导期时间也会增长，建议水灰比设计在0.28~0.38之间比较合适；
2）保护层厚度对防腐蚀也有着不容忽视的作用，保护层越厚，诱导期越长，但是保护层的厚度也必须受到限制，主要是从2方面来考虑，第1，保护层太厚会影响混凝土的性能，第2，经费的问题.所以尽可能地将保护层厚度设计为60~80 mm比较合适；
3）在完成前面两点的同时，混凝土表面也需要涂上一层抗氯离子侵蚀的涂层材料.现在很多国标都规定了在不同的部位，必须使用具有特殊要求的涂层来进行桥梁防腐，而且，目前许多学者也在研发关于抗氯离子侵蚀的新型涂料，因此尽可能地在经济实惠的基础上用高抗氯离子扩散的材料，这样是使诱导期变长最直接有效的办法；
4）使用新型的地质聚合物混凝土.现在有很多学者在研究一种新型的无机地质聚合物.该聚合物以矿渣、工业的废渣以及黏土做为主要的原料，经过合适的工艺处理后，再在常温下，通过一系列的化学反应得到的.具有很强的抗氯离子侵蚀、强度高、价格低廉以及节约能源的优点.
4 结论1）考虑到对钢筋腐蚀起着决定性作用的因素--氯离子扩散系数，选择PDE的系数型偏微分方程模块建立二维有限元模型，同时由于处于浪溅区的海上建筑物腐蚀最为严重，因此本模型建立在浪溅区背景下研究.
2）基于水灰比对氯离子扩散的影响，改变水灰比观察氯离子在钢筋表面累积到浓度极限即达到诱导期的时间，分析出具体影响结论.实验表明水灰比越低，氯离子扩散得越慢，诱导期越长，处于浪溅区的构件水灰比最好在0.28~0.38.
3）基于保护层与氯离子扩散的影响，改变保护层厚度观察具体影响情况，根据模拟的结果和规定的要求范围内找到合适的保护层厚度，在浪溅区的桥墩保护层在60~80 mm较合适，经济实惠且可靠.
4）利用建立的氯离子扩散模型对某跨海大桥的桥墩进行了模拟，对诱导期进行了预测，与实际相吻合.
| [1] | 宋立元.海洋钢筋混凝土结构氯离子腐蚀耐久性研究[D].大连:大连理工大学, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-2010021001.htm |
| [2] | 赵畅.海洋环境下高性能混凝土耐久性实验研究[D].大连:大连理工大学, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1011022165.htm |
| [3] |
Kassir M K, Ghosn M. Chloride-induced corrosion of reinforced concrete bridge decks[J].
Cement and Concrete Research, 2002, 32(1): 139–143. DOI: 10.1016/S0008-8846(01)00644-5. |
| [4] |
Zhang J H, Cheung M S Moe. Modeling of chloride-induced corrosion in reinforced concrete structures[J].
Materials and Structures, 2013, 46: 573–586. DOI: 10.1617/s11527-012-9914-2. |
| [5] | 孙雪雁. 基于COMSOL的低渗性盐土内设砂柱洗盐定量模拟[J]. 农业机械学报, 2014, 45(7): 111–124. |
| [6] | 杨蔚为, 郑永来, 郑顺. 混凝土碳化对氯离子扩散影响试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2014(4): 93–97. |
| [7] | 袁承斌, 张德峰, 刘荣桂, 等. 不同应力状态下混凝土抗氯离子寝室的研究[J]. 河海大学学报, 2003, 31(1): 50–54. |
| [8] | 刘莹, 蔺石柱, 董振华, 等. 混凝土中氯离子扩散数值研究[J]. 内蒙古科技大学学报, 2009, 28(4): 369–373. |
| [9] | 董雪焕, 贡金鑫. 港口工程混凝土结构基于规范标准的使用年限估算[J]. 中国港湾建设, 2012(2): 1–6. |
| [10] | 余波. 混凝土保护层对钢筋腐蚀机理及腐蚀速率的影响[J]. 工业建筑, 2014, 44(7): 112–119. |
| [11] | 田兴长.混凝土氯离子扩散系数预测的三维数值模拟法[D].杭州:浙江工业大学, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10337-1011255718.htm |
| [12] |
Collepardi M, Marcialis A, Turrizzani R. The kinetics of penetration of chlorideions into the concrete[J].
Cement and Concrete Research, 1970, 1(4): 157–164. |
| [13] | 杨建森, 王培铭. 盐碱溶液对混凝土氯离子渗透性能的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2008, 40(12): 207–212. |
| [14] | 冯乃谦, 邢锋. 混凝土与混凝土结构的耐久性[M]. 北京: 机械工业出版社 , 2009. |
| [15] | 江宏, 陈宜虎. 水灰比过大和过小对混凝土性能的影响[J]. 中国水运, 2007, 7(10): 132–133. |
| [16] | 洪定海. 混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M]. 北京: 中国铁道出版社 , 1998. |
| [17] | 董桂洪, 巴恒静, 王胜年, 等. 海工混凝土结构腐蚀实时监控和耐久性预警系统的设计与实现[J]. 中国港湾建设, 2010(增刊1): 75–79. |
| [18] | 王仁贵. 跨海大桥总体设计[J]. 公路, 2009(5): 11–18. |