[发明专利]钢筋混凝土结构腐蚀电驱动统一控制方法

摘要

钢筋混凝土结构腐蚀电驱动统一控制方法，属于土木工程技术领域。方法具体为：根据电驱动统一腐蚀控制电场作用下混凝土材料内粒子场演化的驱动力建立了Nernst‑Planck方程；将混凝土材料在粒子场演化过程中孔溶液与水化产物间相互作用的热力学模型、电场分布的Poisson方程以及水分传输的Richards方程耦合进Nernst‑Planck方程；考虑电驱动统一腐蚀控制电场作用下钢混界面的电极动力学反应；从而形成了钢筋混凝土结构电驱动统一腐蚀控制的基础理论模型；基于MATLAB语言，采用算子分裂算法求解该数值模型。在数值计算结果中，可得到了混凝土材料内水分、孔溶液离子浓度、水化产物含量的分布规律以及钢筋表面局部电流密度，为钢筋混凝土结构腐蚀控制提供科学的依据。

主权项

1.钢筋混凝土结构腐蚀电驱动统一控制方法，其特征在于：所述的方法具体如下：在电驱动统一腐蚀控制电场作用下决定混凝土材料内粒子场演化的驱动力为：腐蚀控制电场的定向迁移作用、浓差扩散作用、水分传输的对流作用、离子间的电偶作用以及孔溶液与水化产物间的相互作用；根据这些驱动力建立Nernst‑Planck方程；其中，ci为离子i的浓度，mol/m3；t为侵蚀环境作用的时间；Di为传输离子i在混凝土材料孔隙液中的扩散系数；zi为离子i所带的电荷数，无量纲；F为法拉第常数，96485J/V/eq；R为理想气体常数，8.314JK‑1mol‑1；T为热力学温度，K；ψ为混凝土材料内部的电势；ν表示水分的流速，m/s；Ri为孔溶液中离子i的源项，由孔溶液与水化产物间相互作用所决定；孔溶液与水化产物间的相互作用包括C‑S‑H凝胶的表面络合反应和孔溶液与水化间的溶解和沉积反应；采用相平衡的热力学模型求解粒子场演化过程中水化产物的溶解和沉积反应，通过质量作用定律表示相应的平衡反应：其中，Kp表示水化产物中相p的热力学平衡常数；γi表示孔溶液中离子i的活性系数；ni,p表示溶解反应中离子i的化学计量系数；孔溶液中离子i的活性系数与孔溶液中离子强度间关系通过Davies方程表示：或WATEQ Deby‑Huckel方程表示：其中，A和B为与温度有关的参数；ai和bi表示与离子i相关的参数，μ表示孔溶液中离子强度：其中，N表示孔溶液中离子的种类数；通过Gouy‑Chapman双电层表面络合模型来求解水化产物物理吸附作用；通过方程(2)质量作用定律和元素守恒可计算出相应的反应量，进一步得到C‑S‑H凝胶表面的电荷密度σ(C/m2)：其中，A表示C‑S‑H的比表面积，m2/g；S表示凝胶相的浓度，g/l；ГH和ГOH分别表示所吸附质子和氢氧根离子的密度；zc和zA分别表示所吸附阴阳离子的化合价；ГC和ГA分别表示所吸附阴阳离子的密度；按照Gouy‑Chapman理论，表面电荷量和表面电位之间的关系为：其中，c为电解质的摩尔浓度；sinh()表示双曲正弦函数；Z为对称电解质溶液的价位；ψ0为C‑S‑H表面电位；进一步，扩散层的离子浓度分布通过Donnan近似的Boltzmanns方程求解：其中，cDDL,i表示双电层中离子的浓度；同时考虑到双电层的电中性，双电层中离子浓度需要满足下列方程：σd＝∑zicDDL,i  (9)σ+σd＝0  (10)σd为双电层中的电荷量；双电层中扩散层的厚度td：td＝χ·κ‑1(χ为比例常数1.55)  (11)其中，κ‑1表示Debye长度；εr表示水的相对介电常数；方程(2)至(12)再结合孔溶液与水化产物间相互作用时元素守恒，共同构成孔溶液与水化产物间的热力学模型，求解出孔溶液与水化产物间的相互作用，即方程(1)中的源项Ri；方程(1)中的ψ为混凝土材料内部的电势，须满足泊松方程：其中，ε0表示真空介电常数，为8.854×10‑12F/m；εr表示水的相对介电常数，25℃时为78.3；而方程(1)中水分的流速ν通过Richards方程求得：其中，p为毛细孔压，Pa；κs为混凝土材料饱水状态下的渗透系数，m2；ρ为水的密度，1000kg/m3；g为重力加速度，9.8m/s2；η为水分的动力粘度系数，Pa·s；κr为相对渗透系数；C(θ)为毛细容量函数，其定义为：其中，Hp＝p(θ)/ρg，表示毛细孔压水头，m；p(θ)表示毛细孔压，Pa；采用Zhou模型：C(θ)＝β[θ+(α‑1)θ2]  (17)其中，α和β为拟合参数，l为经验参数，为6；采用Zhou模型进行混凝土材料水分传输的数值计算；式(1)中离子在混凝土材料孔隙液中的扩散系数Di，受孔结构的有效曲折度和连通度以及孔隙率变化的影响用下式表示：其中，DCl_RCM(ρ＝ρ0,θ＝1)快速氯离子迁移系数试验方法所测得氯离子的扩散系数；ρ和ρ0分别表示混凝土材料的孔隙率和初始孔隙率；Di_free为离子i在自由水中的扩散系数；DCl_free表示氯离子在自由水中的系数；f1(ρ)表示孔隙率的变化对扩散系数的影响函数，通过下式得到：f2(θ)表示饱水度的变化对扩散系数的影响函数：f2(θ)＝θ7/3  (21)其中，θ表示混凝土材料的饱水度：w和ws分别为混凝土材料的含水率和完全饱水状态下的含水率；采用塔菲尔Tafel方程表示以上各反应中电流密度与电势之间的关系：反应式为：Fe‑2e‑→Fe2+  (23)O2+2H2O+4e‑→4OH‑  (24)2H2O+4e‑→2OH‑+H2  (25)关系为：其中，i_Fe、和分别表示由于式(23)至式(25)化学反应所产生的电流密度；E_c为钢筋表面的电势；i_{0_Fe}、E_{eq_Fe}、b_Fe、和b_H2分别表示铁的氧化反应，耗氧反应以及析氢反应时交换电流密度、塔菲尔斜率和平衡电位；阳极界面发生的反应为4OH‑‑4e‑→2H2O+O2  (29)阴阳极界面产生的总电流密度itot为每个电化学反应所产生的电流密度iloc之和，即：itot＝∑iloc  (30)其中，阴极界面包括式(23)～式(25)化学反应；阳极界面为式(29)反应；此外，混凝土孔溶液中带电离子在电场作用下发生定向迁移，所以混凝土内部产生电流：其中，表示由于孔溶液中离子迁移而产生的电流密度矢量；N表示孔溶液中离子种类的数量；在阴极/阳极‑混凝土界面上，由于电化学反应所产生的电流密度须等于流进孔溶液的电流密度，即：其中，|a,c表示阳极和阴极混凝土界面；上述方程构成钢筋混凝土结构的电场腐蚀控制基础理论模型，基于MATLAB语言，采用算子分裂算法求解该数值模型，即在COMSOL求解水分传输的Richards方程和不考虑源项的Nernst‑Planck‑Poisson方程，通过PHREEQC求解孔隙液与水化产物间物理化学作用的热力学模型，然后通过MATLAB语言调动COMSOL和PHREEQC分别进行求解，并实现二者的相互交互。