海工混凝土氯离子分布概率模型分析与应用

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1、学兔兔www.xuetutu.com第1期水利水运工程学报No．12016年2月ItYI)RO-SaENANDENGINEERINGFeb．2016DOI：10．16198／j．enki．1009—640X．2016．叭．006高远，陆春华，袁思奇，等．海工混凝土氯离子分布概率模型分析与应用[J]．水利水运工程学报，2016(1)：37-43．(GAOYuan。LUChun．hua。YUANSi．qi．eta1．Applicationanalysisofprobabilitymodelforchlorideionerosiondistributioninmarinec

2、oncretestructurelJ1．Hydro—ScienceandEngineering，2016(1)：37-43．)海工混凝土氯离子分布概率模型分析与应用高远，陆春华，袁思奇，陈素碧，杨金木(江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013)摘要：在海工混凝土结构中，由于氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀问题十分普遍。为准确判断钢筋初锈时间，预测结构耐久性劣化规律，在现有氯离子扩散模型的基础上，基于蒙特卡罗理论，利用MATLAB软件对钢筋周围氯离子浓度分布进行随机抽样模拟。结果表明一定时间段内(10年、50年、100年)钢筋周围氯离子浓度服从对数正态分布，并提出判断钢

3、筋锈蚀的概率模型，以概率方法判断钢筋锈蚀，其可靠性将大大增加。结合该模型对连云港港区现场服役混凝土构件进行了氯离子含量预测，现场取粉试验结果基本符合该模型分布，其均值吻合较好，并对港区混凝土结构耐久性使用寿命失效概率进行了风险评估。关键词：蒙特卡罗法；钢筋初锈；氯离子浓度分布；概率模型中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1009—640X(2016)01—0037—07氯盐环境下钢筋锈蚀是引起结构耐久性问题的主要原因。氯离子侵入导致钢筋锈蚀的过程主要是通过混凝土保护层到达钢筋表面，破坏其表面钝化膜，导致钢筋局部锈蚀，在腐蚀电池作用下，锈蚀不断发展。在此过程中

4、氯离子对钢筋锈蚀具有催化作用。因此，可将钢筋初锈视为结构耐久性退化演变的起始点。实际工程中正确判断钢筋初锈时间是准确预测结构耐久性寿命的重要依据之一。而传统判断钢筋锈蚀的方法主要采用电化学检测法，包括自然电位法、交流阻抗技术和极化测量技术等¨。其中自然电位法即半电池电位法应用最为广泛。电化学方法以其测试的速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测试的优点，成为目前比较成熟的测试方法】。但此类方法的缺点是易受外界因素干扰，且判断可靠性不高。因此，许多国内外学者采用理论分析的方法确定钢筋初锈时间，并提出相应计算模型。如D．V．Val将侵蚀过程简化为扩散过程，没有考虑对流、温湿度

5、对氯离子扩散系数的影响，利用Fick第二定律得到钢筋初锈时间的计算公式；S．Morinaga_5基于现场与实验室快速试验数据提出了一个预测从初锈到锈胀开裂时间的经验公式。而此类方法的计算模型中一般没有考虑材料、环境等影响因素的不确定性，以定值(一般取变量平均值或相关规范中的标准值或经验值)进行计算，所得结果离散性较大。基于以上考虑，本文在以往理论计算模型基础上，考虑各影响因素的不确定性，提出判断钢筋锈蚀的概率模型。结合蒙特卡罗基本思想，利用MATLAB软件对钢筋周围氯离子浓度分布进行模拟，以预测各时间段钢筋锈蚀的概率。并利用该模型对连云港港区现场服役混凝土构件进行了氯

6、离子含量的预测，对比现场取粉试验结果以验证模型准确性。收稿日期：2015—04-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278230，51378241)；教育部博士点基金资助项目(20123227110006)；江苏大学高级人才科研基金资助项目(11JDG132)作者简介：高远(199O一)，女，吉林吉林人，硕士研究生，主要从事混凝土结构耐久性研究。E．mail：chuckxmu@foxmail．com学兔兔www.xuetutu.com38水利水运工程学报2016年2月1理论模型分析氯离子对钢筋表面钝化膜具有极强的去钝化作用，可导致钢筋发生局部锈蚀。1970年意

7、大利的Callepari首次提出，在假定混凝土材料各向均质同性、氯离子不与混凝土发生反应的条件下，氯离子在混凝土中的扩散行为可用Fick定律来描述：OC：(D())(1)式中：C为氯离子浓度，以氯离子质量占胶凝材料质量百分比表示(％)；为距混凝土表面距离(mm)；t为暴露时间(s)；D(t)为氯离子扩散系数(mm／s)。当混凝土结构处于完全饱和状态时氯离子在混凝土中的输运方式以扩散为主，而在非饱和状态下，混凝土表面一定深度存在对流区，对流区以内仍可视为扩散的方式。因此本文为简化运算仍将氯离子侵蚀过程视为以扩散方式为主，同时考虑温度、湿度、应力等影响因