海水环境下再生混凝土的耐久性预测模型

海洋环境下混凝土结构耐久性评估包括可靠度和耐久性寿命两方面。将混凝土表面氯离子浓度，保护层厚度和扩散系数作为随机变量，根据传统Fick第二定律建立混凝土保护层中氯离子浓度的随机模型，基于体积稳定性设计的混凝土并掺入少量聚丙烯纤维后的混凝土显示出优良的抗氯离子渗透能力，从而提出海洋环境下混凝土结构耐久性寿命评估的方法。

氯离子环境下工作的钢筋混凝土结构的使用寿命一般分为三个阶段：腐蚀诱导阶段（t1）、腐蚀阶段（t2）和腐蚀破坏阶段（t3）。一般情况下腐蚀阶段和腐蚀破坏阶段相对于腐蚀诱导阶段是非常短的，腐蚀诱导阶段占据了整个混凝土结构使用寿命的绝大部分。混凝土结构的耐久寿命则可以根据所要求的耐久性极限特征划分为不同的类型，耐久寿命可以是[t1，t2]中的任何点。

氯盐环境下再生混凝土抗氯离子侵蚀的耐久寿命主要是指混凝土结构的腐蚀诱导阶段，即从结构开始暴露于氯离子环境之日起到混凝土中钢筋表面的氯离子含量达到某一临界值所经历的时间，这个临界值一般假定为刚好导致钢筋腐蚀的氯离子含量。

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过程，目前已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有4种：①毛细管作用；②渗透作用；③扩散作用；④电化学迁移。在这些作用机理中，扩散被认为是一个最主要的传输方式之一。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吻合，现在它已成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。假定混凝土中的孔隙分布均匀，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：

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（x，t）——混凝土的扩散系数。

NEL方程表明扩散系数与电导率之间呈线性关系。由ASTMC1202的试验方法可知，电通量的测量实质上就是测量混凝土的电导率。理论上当孔隙液中的传质阴离子仅有氯离子时，扩散系数与电通量之间呈线性关系。

式中 D——离子扩散系数，cm2/s；

R——气体常数，R＝8.314J/（mol·K）；

T——绝对温度，K；

σ——混凝土的电导率；

n——离子迁移数；

Z——离子的电荷数或价数；

F——法拉第常数，F＝96500C/mol；

C——离子浓度，mol/cm3。

方程（5.2）的解为：

式中 C（x，t）——t时刻距混凝土表面x处侵蚀介质的浓度；

C0——混凝土表面侵蚀介质的浓度；

t——时间；(www.xing528.com)

erf——误差函数，其表达式为

事实上，混凝土在环境作用下，内部必然会产生损伤而出现微裂纹。由于腐蚀介质在裂纹与混凝土基体中的扩散系数不同，因此，有必要对式（5.3）进行修正。

Mohamed等根据干湿循环交替作用下氯离子扩散模型提出一种针对内部含有裂纹混凝土氯离子扩散模型——SDA模型 （SimplifiedDiscreteApproach）。该模型中由于考虑干湿循环影响，氯离子最初总是从裂纹中逐渐扩散到混凝土中，因此，在混凝土裂缝中氯离子浓度的影响从以下式进行推测：

x——裂纹距离混凝土表面的深度；

Cc——混凝土裂缝中的氯离子浓度 （在一定时间之后Cc可视作海水中平均氯离子浓度）。

由于多种因素的影响，混凝土中裂纹的宽度和间距都会自由变化，因此综合考虑含裂纹的混凝土氯离子扩散的影响，需要对其进行必要的简化处理。

首先，考虑裂纹的影响，对扩散系数需要进行平均化处理，即

式中 Dav——平均扩散系数；

D0——未开裂混凝土扩散系数；

w——裂缝宽度；

l——裂缝间距；

Dcr——裂缝中的扩散系数。

式 （5.5）中w/l可以近似地使用所测得的混凝土限制收缩应变值代替。

在连续基体中，混凝土中氯离子扩散满足在变化边界条件下的Fick扩散定律，即

式中 Dav——式 （5.6）中所求混凝土平均氯离子扩散系数；

erfc（x）函数是反误差式，其标准表达式为

以表5.1配合比为例，其D0分别为0.95×10-8cm2/s、0.94×10-8cm2/s和0.91×10-8cm2/s。考虑到受力和微裂纹的影响，氯离子平均扩散系数Dav＝kD0，k取值范围为1.0～2.0。海水中的氯离子浓度取1.93%，钢筋—混凝土界面的极限Cl-含量为[Cl-]/[OH-]≥0.6，混凝土孔溶液pH值为12.3，则Cc＝0.6×10-（14-12.3）＝0.012，钢筋保护层厚度为5cm。对上述24种配合比混凝土在海洋环境中的使用寿命进行预测，见表5.5和表5.6，掺入粉煤灰的再生混凝土寿命大于不掺粉煤灰的。

表5.5　海洋工程再生混凝土寿命预测表

表5.6　海洋工程粉煤灰再生混凝土寿命预测表