氯离子在混凝土内扩散的介观模拟-杨元凯

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：143576氯离子在混凝土内扩散的介观模拟杨元凯，何新婷，王沫然（清华大学，航天航空学院，北京100084）（Tel：010-62787498，Email：mrwang@tsinghua.edu.cn）摘要：长期处于海洋环境的钢筋混凝土结构，海水中的氯离子会侵入混凝土引起钢筋腐蚀，使钢筋混凝土结构的使用寿命缩短。本文提出了基于自生长的水化模型模拟混凝土的微结构。根据生成的混凝土微结构，本文采用格子-Boltzmann方法数值模拟氯离子在混凝土微结构中的扩散，以及考虑电动效应下氯离子的扩散。数值模拟结果表明：混凝土的水灰比降低、水化程度增加，

2、氯离子在混凝土内的等效扩散系数下降。对于小于微米级尺度的孔隙，由于混凝土孔隙壁面通常带负电，会阻碍氯离子进入孔隙内部。关键词：混凝土微结构，氯离子扩散，格子-Boltzmann，电动效应0前言近几年，我国新建了很多跨海大桥以及海底隧道，例如已经建成的杭州湾跨海大桥，以及正在建设的珠港澳跨海大桥，其使用年限为120年。跨海大桥和海底隧道最重要的问题之一就是耐久性问题，其中钢筋腐蚀破坏被确认为是影响桥梁和海底隧道耐久性的第一因素，而氯离子的侵蚀又是引发钢筋腐蚀的首要因素。海水中的氯离子是侵蚀混凝土结构氯离子的主要来源,如何降低氯离子在混凝土里的传输速率来提高桥梁的耐久性，是一个重要的研究课

3、题，是实现社会可持续发展的重大问题。基金项目：国家自然科学基金资助项目（51176089）；国家重点基础研究发展计划项目（2013CB228301）氯离子会“渗入”已经成型的混凝土内部，是导致钢筋腐蚀的最主要原因。“渗入”的过程与混凝土的孔隙率、密实度、水化程度、配合混凝土的外加剂以及钢筋表面的保护层厚度有直接关系[1]。在钢筋混凝土构件中，钢筋承受着很大一部分荷载，钢筋的腐蚀是海洋结构整齐失效的主要原因[2]。大量研究表明，混凝土结构中的钢筋腐蚀与离子密切相关[3-8]。在钢筋混凝土结构中，钢筋的表面会生成一层致密的氧化膜，这层致密的保护膜能保护钢筋，使其避免腐蚀；当混凝土pH值大于

4、10时，钢筋表明会生成一层约10的钝化膜保护钢筋，当混凝土的pH值低于10时，钢筋表面的钝化膜将破裂，发生电化学反应，进而导致钢筋的腐蚀[5]。研究表明，的临界值与pH值存在一定的关系，Hausmann等[9]通过实验发现当时，钢筋才会发生腐蚀。在海洋环境中，阴离子里的摩尔浓度最大，其次就是硫酸根离子。Schikorr[10]和Cornet[11]认为可以与钢筋发生更为强烈的化学反应。但是海水中氯元素大约为，其摩尔浓度是硫元素的19倍左右，所以影响钢筋腐蚀的主要离子还是。1混凝土微结构的计算机生成1.1混凝土的微观结构混凝土是由水、水泥、沙子、细骨料和粗骨料组成的。水泥在水化过程中，把

5、以上各种物质胶结在一起，形成了气、液、固三相的多孔非均质材料。混凝土材料参数主要为水灰比（w/c）和水化程度（）如果固体的体积分数是f，那么水的体积分数则为1-f，水灰比为[12]：(1)式中：常数“3.2”为波特兰水泥与水的比重。水化程度[13]为：(2)一般情况，混凝土凝固时间越长，混凝土的水化程度也就越接近100%。混凝土的微结构十分复杂，如图1所示。在水化作用下，骨料相互粘结，产生很多微小的孔道。由于混凝土是脆性材料，在外力、温度内应力以及收缩应变等力的共同作用下，混凝土内部形成了大量的微小裂缝[14]。这些孔道和裂缝相互连接，就构成了混凝土复杂多孔的微观结构。图1扫瞄式电子显

6、微镜显示的混凝土图像,详见[15]1.2界面（interfacialtransitionzone，ITZ）通过3D的孔隙测量技术，发现在骨料表面附近形成一种特殊的过渡结构——界面，如图2所示，这是由于受骨料表面边界的影响所形成的结构。界面孔隙率很大，弹模很低，扩散系数很大。近来的实验和数值模拟研究表明水泥石基体中的骨料对氯离子扩散有两种相反的效应：骨料本身的不可渗透性和边界曲折效应降低了氯离子的扩散能力，而界面的高空隙率和渗流增大了氯离子的扩散能力[16]。界面的厚度一般在10~30之间[17]。图2ITZ的电子扫描显微镜的图片，详见文献[14]1.1基于自生长的水化模型.由于混凝土的

7、水化作用，水化产物会填充最初充满水的孔隙，形成坚固的水化产物。混凝土的微结构会慢慢的变得密实，孔隙率会下降。在这个过程中，水泥颗粒由外到内会分解，得到()和()水泥微粒。这些微粒通过水化作用生成两种产物：一种是表面水化产物，会附着在水泥颗粒表面；另一种是孔隙水化产物，它会在孔隙中聚集成核。可以定义以下几个体积比例系数[18]，是表面水化产物的体积与反应的水泥微粒体积之比，是孔隙水化产物与反应的水泥微粒体积之比，总的体积膨胀系数。在仿真模拟中，体