氯离子侵蚀环境下海洋混凝土结构服役寿命预测

《氯离子侵蚀环境下海洋混凝土结构服役寿命预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、氯离子侵蚀环境下海洋混凝土结构服役寿命预测广西壮族自治区建筑科学研究设计院南宁530011摘要：基于有限元理论，研究氯离子环境下混凝土结构的寿命预测模型,考虑不同因素对混凝土中氯离子扩散的影响，对海洋混凝土结构服役寿命进行预测。关键词：海洋混凝土结构；氯离子扩散；有限元；服役寿命1绪论海洋环境下，由于氯盐的侵蚀引起钢筋锈蚀，最终引起混凝土结构破坏,被公认为是导致海洋混凝土结构破坏的最主要原因。大量的工程经验教训使人们认识到：重视耐久性、增加保护性措施、加大初建费用的投入、延长结构的服役寿命，是最经济的设计。特别是当前海洋工程向跨海、大型复杂等方向

2、发展，这些工程都是我国基础建设中占重要地位的工程，提高和保证这些工程的安全服役寿命，是关系到我国国民经济持续、长期、稳定发展的百年大计。2海洋混凝土结构服役寿命的定义结构的耐久服役寿命的定义为结构在正常使用、正常维护条件下，结构不需要投入昂贵的维修而能保持预定使用功能的结构使用年限，它受环境、使用条件、材料性能的影响，是受多个随机变量影响的随机函数［1］。木文提出的是在海洋环境氯离了侵蚀情况下混凝土结构寿命预测模型，以期解决海洋混凝土结构基础设施及建筑物的耐久性破坏问题。图2・1海工混凝土腐蚀破坏示意图海洋混凝土结构的服役寿命一般可以分为三个阶段

3、⑵（见图2-1）：木文保守偏安全起见，定义的海洋混凝土抗氯离子侵蚀的耐久寿命主要是指混凝土结构的腐蚀诱导阶段，即从结构开始暴露于氯离子环境之日起到混凝土中钢筋表面的氯离子含量达到浓度阀值时所经历的时间，这个浓度阀值-•般认为是刚好导致钢筋腐蚀的氯离子含量，此时有：耐久寿命T=tlo3海洋混凝土使用寿命预测原理及其模型3.1寿命预测原理氯离子在混凝土中传输原理非常复杂，但在大部分情况下扩散仍然被认为是最主要的传输方式。对于现有的水灰比不太低且没有开裂的混凝土结构，人量的检测结果表明氯离子的扩散可以认为是一个线性的扩散方程，这个扩散过程一般引用Fic

4、k第二定律可以方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散吋间联系起来，可以直观地体现结构的耐久性。因此在海洋混凝土结构寿命预测中，目前仍然采用的是国际公认的氯离子扩散符合Fick第二扩散定律的原理进行寿命预测。选择Fick第二定律也是基于一种经验的假定，因为它的模型可以很好的拟合结构的实测结果。Fick第二定律在混凝土中的应用是基于以下三个假定：(1)混凝土材料是匀质的，内部的孔隙分布是均匀的；(2)氯离子不与材料发生反应；(3)材料的氯离子扩散系数恒定。同时假定混凝土是半无限均匀介质，氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到

5、钢筋表面的方向变化。根据Fick第二定律的求解方程，将耐久性参数和混凝土各技术参数代入,即可得到tl值，由T=tl,可以得到现有结构的服役寿命。3.2寿命预测模型在海工结构的混凝土寿命预测模型中，最常用最熟悉的方法是解析解的方法，它根据Fick第二定律进行偏微分方程的解析计算所得到。由于Fick第二定律的简洁性和实用性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。对于Fick第二定律：上式中:C（x,t）为t吋刻距混凝土表面x深处的氯离子浓度（氯离子占混凝土的质量百分比）；CO为氯离子的初始浓度，即在混凝土生成过程中由于原材料等原因而使混凝

6、土在还没受氯离子侵蚀的情况下具有的氯离子含量（浓度）；C为混凝土构件表面氯离子浓度。假设海洋环境下混凝土的保护层厚度为d,临界氯离子浓度（也称浓度阀值）为C,混凝土结构表面氯离子浓度为Cs,内部氯离子浓度为co时，将其代入式（3-2）,得钢筋锈蚀潜伏期:（3-3）由寿命预测的定义，知T=to通过上式可以用来预测海洋混凝土结构的服役寿命。Fick第二定律描述的是一种稳态扩散过程，实际上扩散是一个随吋间变化的过程，海洋混凝土结构经过一定的使用年限后，混凝土的水化作用基本完成,内部微观结构的变化基本不再发生变化，此时氯离子的扩散系数趋于一个稳定的值。可

7、以将常扩散系数下的Fick第二定律进一步修正为：在（3・7）式中，由于，所以使用简化解在工程中能满足精度要求。当浓度阀值为Cr,混凝土保护层厚度为d吋，联立（3-7）式和（3-5）式将方程变形可以求得考虑初始龄期和混凝土组分对扩散系数的影响的海工混凝土使用寿命T=to尽管寿命预测模型很多，但最广泛最讣人接受的还是式（3・2）和式（3・5）所建立的模型。考虑混凝土内部微裂纹等缺陷时，相当于将扩散系数放大K倍，其中K为劣化效应系数，本文认为K值为一个常数。当初始浓度、扩散系数、混凝土保护层厚度等参数已知时，可以由递推关系式：求解t吋刻某扩散深度的氯离

8、子浓度是否达到临近氯离子浓度Cr,当达到时，该点临界氯离子浓度Cr对应的吋间t即为海洋混凝土结构的服役寿命To4寿命预测各技术参数取值在