[发明专利]考虑硫酸盐化学损伤效应的混凝土中氯离子传输评估方法

说明书

本发明公开了一种海洋环境下考虑硫酸盐化学损伤效应的混凝土中氯离子传输评估方法，建立硫酸盐作用下混凝土内部氯离子传输模型，模型中考虑离子活度，温度梯度，扩散项和反应项；建立温度场作用下混凝土内部氯离子传输模型，以便更准确的预测海洋环境周期性温度作用下的离子传输；最后，从孔结构，裂缝和结合效应三方面建立硫酸盐和温度场耦合作用下混凝土内部氯离子传输模型。本方案结合现有混凝土劣化过程的理论模型，能够更准确的预测深海环境硫酸盐与氯盐耦合传输过程，为海洋环境下混凝土耐久性设计与耐久性评估提供新的手段，具有更高的实际应用和推广价值。

技术领域

本发明涉及海洋环境下混凝土耐久性设计与评估领域，具体涉及一种海洋环境下考虑硫酸盐化学损伤效应的混凝土中氯离子传输评估方法。

背景技术

海洋环境中硫酸根和氯离子侵蚀是混凝土耐久性研究领域中最重要的部分，海洋环境中的氯化物通过混凝土保护层到达钢筋表面，导致钢筋表面钝化膜破坏，发生一系列电化学反应，导致钢筋腐蚀和混凝土膨胀开裂；硫酸根离子的侵入会与混凝土内部的水合铝酸盐反应，形成石膏、钙矾石等膨胀产物，这些膨胀产物溶解度低，能够填充混凝土孔隙，导致混凝土膨胀，产生微裂纹，从而进一步加速氯离子在水泥浆体中的扩散。因此，研究硫酸盐侵蚀下混凝土中氯离子传输机理，对于揭示海洋环境下钢筋混凝土腐蚀破坏机理，预测其使用寿命具有重要意义。

目前，已有很多氯离子单因素作用下传输模型，然而海洋环境下氯离子的传输还会受到硫酸盐传输与混凝土内部温度场的影响，现有模型没有考虑硫酸盐传输与反应过程引起的孔隙填充和膨胀应变引起的微裂纹损伤的综合效应。

发明内容

本发明为解决现有技术中氯离子单因素作用下的传输模型所存在的缺陷，提供一种海洋环境下考虑硫酸盐化学损伤效应的混凝土中氯离子传输评估方法，为海洋环境下混凝土耐久性设计与耐久性评估提供依据。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种考虑硫酸盐化学损伤效应的混凝土中氯离子传输评估方法，包括以下步骤：

步骤1、建立硫酸盐作用下混凝土内部氯离子传输模型；

由于硫酸根和氯离子和水泥水化产物会发生化学反应，考虑到硫酸盐反应和氯离子结合是一种动力学过程，对于硫酸盐作用下混凝土内部氯离子传输模型和硫酸盐扩散反应模型为：

其中，和c_Cl-分别是混凝土中游离态硫酸根和氯离子浓度，D_Cl-是氯离子的扩散系数，是硫酸根离子扩散系数，t是暴露时间，k₁，k₂和k_j是化学反应速率常数，是混凝土孔溶液中钙离子浓度，和γ_Cl-分别是混凝土孔溶液中硫酸根和氯离子活度，k_b是氯离子结合速率常数，是硫酸根离子浓度梯度影响下的氯离子结合速率常数，c_b,Cl-是结合氯离子浓度，是氯离子结合与释放达到平衡状态时氯离子结合量，k_b是氯离子结合速率，是外部溶液中硫酸根离子浓度，是孔隙率，c_CA是等效铝酸钙剩余量，是已反应的硫酸根离子浓度，q是石膏形式的硫酸盐相的化学计量加权系数，c_j是各类铝酸钙剩余量，a_j是二次石膏的化学计量数。

步骤2、建立温度场作用下混凝土内部氯离子传输模型；

(1)鉴于温度影响氯离子结合速率，对步骤1中进行如下修正：

(2)温度影响下硫酸根离子反应速率，表述如下：

(3)温度影响下离子的迁移速率，表述如下：