NERNST-EINSTEIN方程在混凝土氯离子扩散系数分析中的应用

NERNST-EINSTEIN方程在混凝土氯离子扩散系数分析中的应用摘要:混凝土中侵蚀性离子的扩散对混凝土耐久性有很大的影响,因此,扩散系数或侵蚀性离子扩散系数是评估耐久性或预测混凝土结构寿命期最重要的参数之一。本文介绍了利用NERNST-EINSTEIN方程分析混凝土氯离子扩散系数。

关键词:耐久性混凝土扩散系数氯离子

1 引言

为确定氯离子的扩散系数,过去已经提出了一些方法。其中一些是基于Fick定律和使用“扩散池”的方法,其他则基于Np侵蚀性离子的扩散对混凝土的耐久性和钢筋的腐蚀有着重要的影响力。在混凝土硬化之后,侵蚀性离子扩散大多被混凝土的成分和细微结构所控制。当然,相同于任何其他物理化学的反应过程,它也受温度、压力、离子类型、及其他因素影响。由于混凝土与环境相互作用,混凝土内部成分及细微结构可能会随时间的推移而改变,即侵蚀性离子扩散是一个取决于时间的过程。虽然在一个很长的时间内去预测侵蚀性离子的扩散系数很困难,但是可以建立一个随时能快速检测离子扩散系数的试验,并且这也是本文所关注的。

扩散通常用Fick定律来描述。不管过程是否处于稳定状态,它都能建立如下方程,

式中,(x,t)是间距x和时刻t时离子i的浓度,是间距x＝0时离子i 的浓度。众所周知,当Fick定律被用来描述扩散过程时,应做如下假定:(1)溶剂中离子不能与混合物起化学反应,(2)混合物在结构和成分中均匀存在。由方程[2]可看出,如果离子在环境中的浓度和在混凝土的扩散系数已知,渗透的浓度曲线就随时能被计算出来。另外,如果侵蚀性离子渗透浓度曲线已知,并假定一个数值,离子的扩散系数也就能由方程[2]计算出来;这种方法被普遍使用,但是可能很耗时。

如果混凝土被看作是一个固体电解质,在混凝土中带电离子i的扩散系数,是与它的偏电导有关联的,而这关联就是Nernst－Einstein 方程:

式中,σ是混凝土的电导率;是离子i的迁移数,它被定义成,

式中:、分别是离子i对总电荷数量Q和电流I所做贡献的电荷数量和电流强度。

如果离子的扩散系数要被Nernst－Einstein方程确定,那么这个离子的迁移数必须已知。一个简单、适当的方法就是设迁移数等于或者约等于1.0,虽然它不完全正确。举例来说,如果氯离子扩散系数被确定

了,混凝土充满了一定浓度的含盐溶液。在这种情况下,氯离子的迁移数可被假设为 1.0,而可被视为孔隙中氯离子溶液的浓度,或被用来填充混凝土的溶液。举例来说,当＝0.005mol/cm3,T＝298K时,氯离子扩散系数和混凝土电导率之间的关系计算,当混凝土电导率在0.1到s/cm范围时,氯离子扩散系数计算值的变化范围从到cm2/s。这对于普通混凝土、Portland水泥浆与砂浆来说,与有关文献中所公开的结果一致。

表1的电导率是以放入5M NaCl溶液使其达到饱和及养护28天的混凝土为基准。表1的氯离子扩散系数是由方程［3］计算得到,假设＝0.005mol/cm3和T＝298k。算出的数据与Page和其合作者给出的结果趋于一致,这可得出一个结论,混凝土中侵蚀性离子的扩散系数能通过测定含有这种离子且在适当盐溶液中处于饱盐后的混凝土的电导率,从而由Nernst－Einstein方程推算出来。