干湿循环下混凝土氯离子传输模型研究

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发布时间：2021-12-01

资料介绍

：在混凝土结构耐久性设计中，水位变动区通常被认为是最为关键的区域。首先从干湿循环下氯离子传输机理出发，考虑环境温度
影响以及干燥过程和湿润过程水分传输差异，推导出了干湿循环状态下氯离子传输模型。其次设计出模型的有限体积算法，编制 Matlab
程序进行求解，利用该程序分别对暴露在海洋环境潮汐区 3年混凝土结构中氯离子浓度分布进行了模拟计算，并与文献中的试验数据进
行了对比，结果表明：所提出的干湿循环状态下的氯离子传输模型可以较好地模拟出潮汐区混凝土中的氯离子传输，由于考虑了全年环境
温度周期变化以及干燥过程和湿润过程水分传输的差异，研究模型得到的计算结果较忽略这两方面影响得到的结果与文献中的试验数
据更加吻合。
关键词：干湿循环；氯离子传输；对流区深度
中图分类号： TU528．叭文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2012)11-0007—05
Study on chloride transport m odel in concrete under drying-w etting cycles
G UAN Peng
(DeptementofCivilEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing 100084，China)
Abstract： In the durability design ofthe concrete structures，tide zone was usually considered tO be the most crucial area．Based on the chloride
transportation mechan ism in the drying—wetting cycle，considered the effects of tem perature change an d the m oisture tran smission differences in
the d ng—wetting process，and then built a chloride transportation m odel of the drying—wetting cycle．Then，design ed a finite volum e method of
this model and compiled a M atlab program to solve the equation．Analog computations were conducted with this program to calculate the chloride
distributions ofconcrete structures after 3-years exposing to the tidal zone in the m arine environment，which were then compared with the experi—
mental data in the literature．The results showed that the chloride tran sportation m odel proposed by this research call simulate the chloride trans—
port．ion in the tidal zone wel1．
Key w ords： drying—wetting cycle；chloride transport；convection depth
0 引言
氯离子的侵入所引起的钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的
最重要因素之一，建立准确的混凝土氯离子传输模型也因此成
为混凝土耐久性设计的重中之重。1970年意大利人 Callepari[ ]
将 Fick第二定律引入混凝土研究中来描述氯离子在混凝土中
的扩散行为。在不断的试验中发现，虽然由 Fick第二定律得到
的解析解能很好地描述混凝土长期浸泡在恒定氯离子浓度溶
液中(即水下区)氯离子的扩散行为，但是对于处于水位变动区
等复杂环境中的混凝土结构，该解析解与试验数据无论从数据
分布还是曲线形态上相关性都较差_21。而处于水位变动区的混
凝土往往是有害离子侵蚀最为严重的区域。该区域混凝土结构
不仅长时间处于非饱和状态，而且遭受着周期变化的温度荷载。
许多学者针对非饱和混凝土下的氯离子扩散和对流耦合作
用建立模型，但是并未考虑在干燥、湿润两个过程水分扩散系
数的差异。林刚[5】虽然考虑了干燥、湿润两个过程水分扩散系数
的差异，但并没有考虑温度荷载对氯离子传输的影响。这些原因
导致了模型不能很好地描述处于水位变动区混凝土结构的氯
离子传输。
收稿日期：2012-05—15
本研究针对现有问题从两个方面分析干湿循环下表层混
凝土中氯离子的传输：考虑了温度周期变化以及干燥、湿润过
程水分扩散系数的差异等因素，并在此基础上建立了干湿循环
下氯离子传输模型，通过编制程序进行求解，并与试验数据进
行对比，对模型进行验证。
1 模型建立
文献[6]在研究温度梯度对传湿，传质影响时发现，温度梯
度对传湿，传质的影响可以忽略不计。因此在本研究中我们仅考
虑不同时间温度对水分扩散系数，以及氯离子扩散系数的修正。
1．1 温度模型
在混凝土中的温度问题通常用傅里叶热传导公式来描述[7]：
3 r
Pccq =div(hgrad(T)) (1) Ot
式中：p。——混凝土密度；
c。——混凝土质量热容；
A——混凝土导热系数。
在结构的一般计算中，导热系数和质量热容通常取常数，
表 1是文献中的热工参数的一些取值。