3 氯离子扩散理论

3 氯离子扩散理论

氯离子通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土

内部传递,氯离子的传输过程是一个复杂的过程,涉及到许多机理,目前已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种[1]:

(1)毛细管作用,即盐水向混凝土内部干燥的部分移动;

(2)渗透作用,即在水压力作用下,盐水向压力较低的方向移动;

(3)扩散作用,即由于浓度差的作用,氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动;

(4)电化学迁移,即氯离子向电位较高的方向移动。

通常,氯离子的侵蚀是几种侵入方式的组合,另外还受到氯离子与

混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件,其中的一种侵蚀方式是主要的。目前有一些非常先进的氯离子向钢筋表面传输的模型,对各种机理考虑的比较全面,但是由于模型

中的一些参数很难确定,有些只能从定性上加以描述,其实用性还需继

续探讨。

尽管氯离子在混凝土中传输机理非常复杂,在许多情况下,扩散仍

然被认为是一个最主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂的、水灰比不太低的结构,大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程,这个扩散过程人们一般引用Fick第二扩散定律进行描述。有关氯离子在混凝土中扩散的研究是由Collepardi于1970年开始的,并于1972年发表了基于Fick第二定律的氯离子扩散系数的计算结[2]。Fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度与扩散系数和扩散时间联

系起来,可以直观地体现结构的耐久性。由于Fick第二定律的简洁性及与实测结果之间较好的吻合性,现在它已成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择Fick第二扩散定律基本上也是基于一种经验的假定,因为它的模型参数具有明确的物理意义,并且它的解可以很好地拟合现有结构的实测结果[3,4]。假定混凝土中的孔隙分布是均匀的,氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为,浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面的方向变化,Fick第二定律可以表示为

∂C

∂t=D∂2C

∂x2 (1)

式中:C-氯离子的浓度,一般以氯离子占水泥或混凝土的

重量百分比表示;

t-结构暴露于氯离子环境中的时间;

x-侵蚀的深度;

D-混凝土的扩散系数。

Fick第二定律的解取决于问题的边界条件。混凝土结

构在经过相当长的使用时间以后,表面浓度基本达到饱和,在稳定的使用环境中一般不会发生太大的变化,因此可以假定混凝土表面浓度恒定;另外假定混凝土结构体相对于暴露表面为半无限介质,在任一时刻,相对于暴露表面的无限远处的氯离子浓度值为初始浓度。那么,相应的边界条件和初始条件可以写为:

边界条件:C(0,t)=CS,C(∞,t)=C0

初始条件:C(x,0)=C0

根据边界条件和初始条件,公式(1)的解为:

Cx,t=C0+(CS-C0) 1-erf

x

[ (へ4Dt)]

(2)

式中:Cx,t-t时刻x深度处的氯离子浓度;

C0-初始浓度;

CS-表面浓度;

D-混凝土的有效扩散系数;

erf(·)- 误差函数,erf(z)= 2

へπ∫

z

exp(- z2)dz。

Fick第二定律描述的是一种稳态扩散过程。实际上,

混凝土是一种水硬性材料,其水化过程需要经过很长的时间才能完成。混凝土的成熟度对于氯离子的扩散存在很大的影响,水化越充分,混凝土内部越密实,抗侵蚀能力则

越强。随时间的延长,氯离子在混凝土中的扩散系数不是一成不变的,通过实际检测结果可以发现,龄期较长的混凝土结构的氯离子扩散系数较小。尤其在开始的1～3年内,扩散系数的降低尤为明显,因此扩散系数是一个时间的函数。引入有效扩散系数Dt,含义为结构从开始暴露到检测时扩散系数的均值,式(2)变为:

Cx,t=C0+(CS-C0) 1-erf

x

[ (へ4Dt·t)]

(3)

同样,有效扩散系数是一个随结构使用时间长度变化

的量,认为近似服从下面的关系[3]:

Dt

D0

= t0 (t)

m

(4)

式中:D0-结构暴露时或其它任一时段的有效扩散系数; t0-相应于D0

的时间;

m-环境条件系数,根据试验或调查获得。

经过一定的使用年限后,混凝土的水化基本完成,内

部微结构基本不再发生变化,此时氯离子在混凝土中的扩散系数趋于一个恒定的值。为了防止Dt

无限的降低,有的

文献规定,这一公式仅适用前30年,而在30年以后,Dt

成

为一个恒定的值。将其代入式(3),可得:

Cx,t=C0+(CS-C0) 1-erf

x

[ (へ4D0t(t0/t)m)] (5)

该公式是利用有效扩散系数进行结构耐久寿命预测和

新建结构混凝土配合比设计的基础。