混凝土中钢筋腐蚀的数值模拟.pdf

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1、文章编号：1009—944l(2010)11—0006—03：日，丘匕凝土中钢筋腐蚀的数值模拟口口林刚(广东省电力设计研究院，广东广州510663)摘要：腐蚀电流密度是腐蚀钢筋混凝土结构安全评估的一个很重要的因素。基于Butler—Volmer腐蚀动力学，发展了混凝土中钢筋腐蚀的数值模型，对腐蚀电化学参数进行了分析，研究了各电化学腐蚀参数对钢筋腐蚀速率的影响。关键词：混凝土；钢筋腐蚀；腐蚀动力学中图分类号：TG174．3；TU503文献标识码：A引言混凝土中钢筋腐蚀导致的混凝土结构的过早破坏，已成为伞世界普遍关注并日益突出的一

2、大灾害。通常来讲，混凝土中的碱性环境使钢筋表面生成一层很薄的钝化膜，阻止钢筋腐蚀。当有害物质入侵到钢筋表面，破坏钢筋表面的钝化膜时，钢筋脱钝腐蚀。混凝土中钢筋腐蚀导致钢筋横截面面积变小、钢筋力学性能退化、混凝土保护层开裂、剥落甚至脱层、钢筋与混凝土粘结强度降低、混凝土结构承载力降低，严重影响混凝土结构的正常使用。混凝土中钢筋腐蚀速率的计算对钢筋混凝土结构安全评估和寿命预测有着极其重要的意义，国内外学者对混凝土中钢筋腐蚀进行了大量研究。一些学者考虑相对湿度、环境温度、混凝土水灰比、混凝土保护层厚度、混凝土中氯离子含量和钢筋腐蚀时

3、间等因素对钢筋腐蚀速率的影响，提出了混凝土中钢筋由于氯离子入侵脱钝腐蚀的经验模型一‘2o；部分学者认为，氧气扩散为混凝土中钢筋腐蚀速率的速度控制步骤，建立了混凝土中钢筋腐蚀速率的理论模型【3“o；还有部分学者为了更好地了解混凝土中钢筋腐蚀信息，建立了钢筋腐蚀速率数值模型口。7J。但由于混凝土中钢筋腐蚀机理复杂，腐蚀速率受很多因素的影响，如混凝土水灰比、水泥种类、混凝土碳化程度及氯离子含量、混凝土电阻、混凝土中氧气扩散系数和环境湿度等。因此，混凝土中钢筋腐蚀速率预测仍是混凝土结构耐久性研究与寿命预测的一个研究热点。1腐蚀动力学方

4、程蚀电位偏离各自电极反应的平衡电位(极化)。极化现象在很大程度上决定阳极和阴极反应腐蚀动力学行为。根据Butler—Volmer腐蚀动力学观点，阳极钢筋腐蚀的速率和阴极氧气消耗的速率与各自反应的电位密切相关。阳极腐蚀电流密度i。可以表示为：。泗2．303竿)(1)式中：i棚——阳极反应交换电流密度；E胡——阳极反应平衡电位；届。——阳极反应塔菲尔参数。(1)式假设混凝土中钢筋腐蚀阳极反应速率主要由带电荷的离子穿越双电层而实现电荷转移这一步骤所控制。根据Butler—Volmer腐蚀动力学，考虑阴极反应活化极化和氧气浓度极化，阴

5、极反应电流密度i。可以表示为：．咖xp(2．303譬)⋯k2巧两‘2’式中：i田——阴极交换电流密度；E胡——阴极反应平衡电位；反——阴极反应塔菲尔参数；i。——极限扩散电流密度。2混凝土中钢筋腐蚀数值模拟混凝土中钢筋腐蚀数值模拟本质上是求解具有特定边界条件的Laplace方程。混凝土中钢筋腐蚀机理复杂，腐蚀速率受很多因素的影响，如混凝土水灰比、水泥种类、混凝土碳化程度及氯离子含量、混凝土电阻、混凝土氧气扩散系数、环境湿度等。在本文中，对混凝土中钢筋腐蚀模型的电化学参数进行分析，分析这些参数如何影响混凝土中钢筋的腐蚀。当腐蚀电

6、池形成后，腐蚀电流通过电极，导致腐为了给防治混凝土中钢筋腐蚀提供有效的方·6’Research＆ApplicationofBuildingMaterials案，很有必要对这些参数进行分析，了解这些参数与混凝土中钢筋腐蚀速率的关系。在分析腐蚀模型中某个电化学参数对钢筋腐蚀速率的影响时，变化该参数取值，而其他电化学参数取基准值。表l所示为本文参数分析中电化学参数的变化范围和基准值。表l参数分析中电化学参数取值参数基准值计算参数取值0．030、0．040、0．050、0．060、

7、Ba删O．0600．070、0．080，0．0910

8、．100、0．120、0．140、0．160、口，／VO．1600．180、0．200．0．220—0．900、一0．860、一0．820、一0．780．Ea0／Vvs．scE一0．780一O．730、一0．680、一0．6300．100、0．120、0．140、0．160、Em／Vvs．scE0．1600．180、0．200．0．220图1所示为用于参数分析的混凝土中钢筋腐蚀模璎。由图l可以看出，钢筋中部某处由于钝化膜破坏，为宏观腐蚀电池的阳极；而钢筋其他表面仍处于钝化状态，为宏观腐蚀电池的阴极。图1混凝土中钢筋腐蚀模型在腐

9、蚀数值模型中，通过变化阳极塔菲尔参数卢。取值来研究卢。对混凝土中钢筋腐蚀速率的影响，其取值范围为0．030～0．091V。图2分别显示了不同口。值情况下腐蚀电位和电流的分布。由图2可以看出，p。对阳极区的电位分布影响较大，而对阴极区腐蚀电位影响较小；口。越大，阳极区腐蚀电位越