造型氯进入混凝土部分1 -背景

劳里奥尔德里奇

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提交:23^{理查德·道金斯}2011年11月
体积2012年1月8日

主题

文摘
关键字
背景
使用寿命
的方法确定扩散系数假设菲克定律控制氯入口
渗透率剖面
通过扩散
模拟的渗透和扩散
孔隙水泥糊剂的发展
海水对水泥贴
引用
详细联系方式

文摘

每年数十亿美元被花替换有缺陷的混凝土基础设施需要更换只是因为未能达到其预期使用寿命。这成本是由于氯的影响进入具体删除保护鞘从下文的钢筋腐蚀导致破坏性的结构。因此准确预测氯进入混凝土的速度会导致建立规范定义的一个适当的混凝土保护层给服务生活。

已经有很多研究的氯离子渗透的混凝土暴露于氯溶液对不同时间的定义。在本系列的论文这些数据集是安装在一个一致的简单的半经验菲克定律方程使用excel电子表格。拟合的方法似乎是足够健壮,这样时间依赖氯概要文件可以健康。这样的适合可以用来估计混凝土的使用寿命是有限的的氯腐蚀钢筋钢放置在一个定义的深度的表面结构。

在这部分的第一篇三部分系列的方法确定扩散系数的渗透概要介绍和对比使用通过扩散技术。混凝土的使用寿命是这里定义为氯的时间通过混凝土保护层扩散浓度,消除保护鞘的钢筋钢发起。估计的方法从氯离子扩散是详细的使用寿命。建议在混凝土氯离子扩散会比在海水中不同氯化钠的解决方案。

关键字

混凝土、耐久性、氯扩散、钢筋腐蚀、使用寿命

背景

最昂贵的和常见的原因之一,缺乏耐久性基础设施是钢筋混凝土的腐蚀。缺乏耐久性混凝土已被确定为一个主要的社会成本。例如学者[1]给出了具体的例子的修复基础设施成本中部连接高速公路在伯明翰。这个建造成本£2800万。即便如此,在1972年至1989年之间,£4500万年花在维修上据估计,另一个£1.2亿在15年内将需要修复。偶像也估计每年在欧洲基础设施结构损伤和修复比尔约40亿欧元。这些问题上很明显。在美国超过10%的公路桥梁正接近使用寿命的[2]。主要是使用寿命的结束是由于混凝土中钢筋腐蚀由氯离子渗入混凝土保护层的钢筋上拆卸防护罩。因此它是惊人的,虽然进入氯化成钢筋混凝土每年花费数十亿美元耐久混凝土的不是一个增长行业。 Unfortunately this is not the case for publishing papers on concrete durability which is definitely a growth industry. The problem of chloride ingress was identified in the 1930’s. Then the San Mateo-Hayward Bridge across the San Francisco bay developed significant cracks only 7 years after the 1929 opening [3]. In 1940-1941 four experimental installations of test piling were driven into marine or fresh water environments as part of the long-time study of cement performance in concrete. After 15 years exposure it was concluded 1.5 inches of cover was insufficient to prevent rusting of steel reinforcement and cracking of concrete [4].

防止氯离子在钢筋混凝土不是简单的入口。基本上只有无,优质、un-carbonated、混凝土必须加强。在一个绝对最小需要生产质量的基础混凝土等

1. 充分的混合
2. 正确的成分(特别强调对水量和添加补充胶结材料与粉煤灰混合(PFA),地面粒状高炉矿渣GGBFS,或硅灰)欧洲杯足球竞彩
3. 适当的治疗
4. 适当的压实
5. 足够的覆盖。

这并不总是实现。罗宾逊[5]评论澳大利亚练习“在1970年代和1980年代,严重的问题开始显现在许多钢筋混凝土建筑使用寿命相对较短。工程质量低劣,削减成本或仅仅是无知的好具体实践{}是在这些过早失败的主要因素。需要昂贵的补救这些结构和混凝土行业收到了很多负面宣传基于具体的癌症”的主题。除非这些有缺陷的实践已经解决有小点预测氯入口作为服务不到10年的生命可以得到保证。因此在产业投资预测氯离子扩散之前首先必须确保混凝土保护层是由优质混凝土混合和遇到的条件所谓的4 c组合压实混凝土养护和封面。此外碳化和开裂的混凝土必须是有限的。显然混凝土的耐久性是像一个链条最薄弱的环节会导致失败的整个结构。

Fagerlund[6]回顾了混凝土的规范在瑞典和丹麦之间的厄勒海峡链接使用一个服务需要至少100年的生命。基于几个假设他得出结论,有必要记录有75毫米的混凝土保护层混凝土的水灰比0.40和扩散系数小于5 * 10^-12年米²/ s(或150毫米²/年)。相似类型的计算是由siem等[7],谁在他们的论文中“设计的混凝土结构耐久性”表明,目前对混凝土的耐久性设计方法是基于规则,没有给出客观了解预期寿命和客观对比不同耐久性的措施是不可能的。siem等人得出的结论是,目前的方法是不可接受的特别是当缺乏耐久性可能导致人类生活和高经济损失的损失。

尽管灾难性故障是最可怜的筑坝控诉建设过早是昂贵的维护,应该认定为最可能的结果缺乏耐久性。1979年波特与Guirguis[8]调查大(大于三层)住宅建筑过去15年在北悉尼。他们发现;69%的建筑显示出一些持久性的发病率痛苦,痛苦的年轻建筑显示增加频率比-15岁,建筑位于1公里的海岸表现出更多的腐蚀比1 - 2公里的海岸。悉尼在另一个调查在1990年出版的95年建筑Marosszeky和[9]表明,平均15年的老房子在悉尼的修复成本原始建筑代表超过34%的成本设计、制造、钢筋、监督和强化钢的位置。这些成本是微不足道的,而在加拿大,据估计,修复的混凝土建筑物停车超过30亿美元[10]。

使用寿命

萨默维尔[11]在1986年提出的定义设计生活的最低期限结构可以将执行其指定的功能效用没有重大损失,不需要太多的维护”。他作为一个例子,二段式机制钢筋的腐蚀,侵蚀剂的时候到达并激活强化定义与第二阶段被时间侵蚀剂开始腐蚀。对于本论文使用寿命的定义是氯离子渗透封面所花费的时间超过混凝土的临界氯水平。以下讨论的文献说明这里使用封面是作为50 mm[12]和临界氯级别定义是Cl 0.6 wt %的混凝土的粘结剂成分[13]。应该指出的是,本文假定氯化的具体材料是免费的任何杂质。欧洲杯足球竞彩

写这篇书评的动机是让澳大利亚基础设施所有者使用可靠的预测寿命限制由于氯进入钢筋混凝土。在2005年提出了项目Chlortest[14]报告-氯入口造型得出结论,大部分模型都不是很准确的预测现实。在能够正常使用的工程师预测模型必须健壮且操作简单的假设清晰可见。理想的电子表格模型将是最合适的。

在Chlortest[14]项目模型测试和松散他们是基于两种方法使用菲克第二定律(i)或(ii)使用通量方程。综述只有非常菲克定律方程的简化版本。

理想情况下氯化概要文件将计算方程

C (x) = S (1-erf [x / (2 *√{t * D}]) (1)

在C (x)的氯量表示为x %的粘合剂(mm)的距离表面和表面浓度的氯,t时间(年)和D是扩散系数(毫米吗²/年)。注意这可以转化为D的SI定义(m²/秒)除以~ 31.5 * 10^-12年。

然而方程(1)依赖于假设S和D是常数依赖具体的混合。这并非如此。显示[15],S和D随时间和这种变化可以预测一个幂律

D (t) = D₀(t / t₀)^{- n}(2)

S (t) =₀(t / t₀)^米(3)

其中t₀是一个参考时间(一般28天或0.07年)

n和m的值是权力躺在0和1之间。注意符号的差异在方程2 & 3因为年代随着时间增加D随时间而减少。实际上这将在稍后讨论它只是因为D的显著下降随着时间的推移,混凝土可用于海洋水域。

结合方程1 2 & 3给出了菲克定律方程(4),其余部分将用于这个报告。

C (x) =₀(t / t₀)^米(1 -小块土地(x / {2√(t D₀(t / t₀)^{- n})})(4)

重要的是要意识到这个方程只有半经验,应该被视为工具配件,而不是一个物理方程,可用于预测准确的长期解决方案。

虽然有一个更严格的方法,评价氯剖面预测的菲克第二定律给出[15]的粗糙近似方程(4)似乎给结果适合本文的目的。

萨默维尔[16]建议的基础性能计划将区分预期寿命周期(年)为代表;小于5,5 - 10、10 - 20 - 40、40 - 100,大于100年。任何模型的使用寿命应该能够确定哪些类别的具体应该适合。

的方法确定扩散系数假设菲克定律控制氯入口

氯并不是唯一的离子扩散系数决定。核工业通常使用水泥贴和迫击炮来封装放射性核素和有许多决定不同离子的扩散系数测量通过硬化的水贴。三种常见的实验测量的方法

1. 渗透的离子导入
2. 通过扩散法,离子的速率穿过薄圆盘(2 - 6毫米厚度)是与扩散系数有关
3. 浸出过程中,结合离子去除的速度被水扩散系数有关。

虽然菲克定律的理论相关的扩散是众所周知的相互关系Cs和Sr的扩散系数不同的方法几乎是不可能的。伯特伦等[17]只能协调不同的扩散系数的假设的绑定离子水泥贴只由速率方程,通过求解扩散和绑定/释放率在一起可以扩散系数从不同的方法进行比较。应该注意的是,氯扩散比Cs和快速通过水泥贴Sr和在这一节中隐式地假定氯扩散测量渗透率资料或通过扩散方法本质上是相同的。这里没有尝试了描述氯化浸出技术不相关的运输通过建筑混凝土。

渗透率剖面

估算渗透率资料的扩散系数估算混凝土中氯离子扩散的正常方式和方法的一个典型的例子是由Nordtest定义(1995)元构建443“混凝土硬化:加速氯离子渗透”,一个被水浸透的混凝土已经治愈了28天的样品放置在氯化钠2.8 m / L的解决方案一个固定时间和氯化概要文件由方程(1)安装在固化时给估计S和D。

估计D的另一种方法是由Nordtest氯化(1999)元构建492迁移系数从Non-Steady-State迁移。该方法本质上是基于测量渗透率资料后直流电压加速氯离子传输核心破碎时24小时开放的位置决定从表面混凝土氯结核是0.07摩尔/升。从这个数据D计算氯离子扩散方程1的修改;电压、时间、温度的解决方案,和样品的厚度。重要的是要注意,不能从这个方法估计和这个参数是至关重要的预测寿命工作组4详细报告Chlortest项目[14]。El Cherkawi[18]寿命计算假设年代可能有一系列的价值观和在某些情况下,这种方法似乎预测寿命的混凝土可以被归类在前一节中讨论。

时间依赖性的重要性(S和D(方程2 & 3)意味着固化时间必须严格决定的测量。这两种方法的精度估计了一轮知更鸟[日]。

通过扩散

渗透概要文件的另一种方法是计算扩散测量

图1所示。通过扩散理论参数的示意图

通过薄盘混凝土的氯离子传输。这种方法一般用于研究氯扩散通过水泥贴或迫击炮。氯化钠溶液放在左手室,另一个解决方案(通常氢氧化钠)放置在两院的右手室隔开一片水泥浆(通常2 - 6毫米厚)。一般两种解决方案都是充满了Ca(哦)₂为了防止浸出的这种材料。氯化的速率是通过切片依赖传播扩散系数。设置图1中的示意图所示。扩散系数D的计算方程

D = m l l / (C_在- c_出)(5)

在那里;粘贴片的面积,L扩散和水库室的长度,V_出是一个* L, L是切片的厚度,C_在生理盐水的浓度在水库室实验结束,C_出中氯化钠的浓度扩散室实验结束,和m是直线的斜率直流_出/ dt

注意的是

1. 如果l & l多年来都以毫米和t D是在毫米²/年,
2. 通常有一个显著的延迟在氯化突破这t_br突破(时间)与氯离子的结合粘贴

使用通过扩散来衡量Cs⁺扩散系数和不使用沸石水泥贴发表[21]。有沸石绑定的Cs,可以看到影响增加绑定(通过添加沸石)和增加Cs加热水泥运输被认为是导致更大的毛细管孔隙水泥。通过扩散影响测量数据2 - 10所示在本出版物的类型并给出一些见解行为预期氯化物是否会被永久绑定到水泥贴Cs是绑定到沸石的离子交换反应的类型。伯特伦等[17]表明Cs和Sr绑定和绑定是重要的动力学因素,试图预测时必须考虑这些离子的运输通过水泥。

模拟的渗透和扩散

为了协助规划实验预期的渗透通过扩散结果概要文件和模型假设D = 32毫米²/年和S = 3.5使用GNU Octave程序(也可以运行在Mathlab)渗透的结果计算资料作为时间的函数如图2 - 4所示。在不同的时间计算渗透在图2所示。

图2。渗透概要(D = 32毫米²/年,S = 3.5 Cl % wt粘结剂)为0.06,0.12,0.25,0.5,1,2,4,8日,16日,32岁,64年和128年。

从结果如图2所示可以计算氯浓度在50 mm混凝土保护层作为时间的函数。这种关系如图3所示,从这个图如果假设氯腐蚀钢铁当氯浓度大于0.6%(对粘结剂),那么从图2可以看出,混凝土结构的设计寿命超过20年。

通过扩散浓度的氯(图4)是为一个2毫米厚的水泥粘贴在30毫米长储层与扩散、扩散室贴95年的信任,或315或3150毫米²/年。使用这个程序很容易显示使用这种方法的困难具体合理的厚度而确认最贴的方法给接受氯浓度D可以轻松使用。但是应该注意的是,在这个方法中未使用的方程和扩散率之间的比较来衡量通过渗透扩散与测量资料可能提供了一个洞察正确造型氯入口。

图3。Cl浓度作为时间的函数在覆盖深度50毫米。(D = 32毫米²/年& S = 3.5)

图4。比较氯浓度与时间的条件下的扩散实验中所描述的文本。

在实践中有许多不同的方法估算的氯离子扩散系数和所有使用严重的近似。然而这里讨论的基本近似,所有的方法是假定混凝土是水饱和,这将是“最坏情况”的大小氯运输。虽然这是毫无疑问的事实在绝大多数的情况下,具体问题可能这个假设可能不合理。例如如果放置在潮汐区混凝土湿和干燥的地方每天持续强风也干了可以想象的情况下氯化事实上可能更迅速比水下混凝土暴露在海水运输。

然而Cl运输可能不是由扩散所显示Volkwein[22]发现水化吸能主导氯化物运输成混凝土。这样的事件将发生在混凝土固化密封,然后放置在水里。虽然这个不应该发生在混凝土与海水接触Volkwein[23]回顾了除冰盐的腐蚀了混凝土结构的扩散模型与氯进入无关。

它已经表明,D和年代都是依赖于时间和应该写D (t)和S (t)。D对时间的依赖关系将受到水的运输到水泥浆是由连续的毛细管孔隙的大小和程度,在水化收益毛孔就会关闭。因此孔隙凝水泥贴的发展将影响氯入口。

孔隙水泥糊剂的发展

Bordallo等[24]回顾了水泥水化的影响贴在毛细管气孔关闭和效果对限制水运输水泥贴。基于Powers-Brownyard模型5的水泥浆由组件未水化水泥、凝胶固体,凝胶水、毛细水和化学收缩形成的空隙。化学收缩是因为水合凝胶的体积小于水泥的体积和水。

假设水泥贴治愈在密封的环境中没有添加额外的水和反应物的标准卷他们使用一个excel表蔓延到阴谋的卷毛管孔隙和化学收缩α的水化程度的函数。作为一个经验法则可以认为在28天α是约0.75(或75%的水泥水化)。

认为毛细管孔隙的孔径大于10 nm和0.42 w / c比值的粘贴后的毛细毛孔变得不连续7天养护而为0.8 w / c的粘贴毛细管孔隙都是连续的。体积分数图5所示。请注意这是一个相当大的体积的水凝胶孔隙,但尽可能多的孔隙直径约2海里的水是受限的。

显然制作精良,但缺乏治愈混凝土;直径、程度和不连续的毛细管孔隙水泥贴将管理水和离子的传输速率。因此固化(增加水化程度)和水/水灰比控制传输时,粘贴不了。的混合水泥水灰比这个词通常用来代替水/水泥。

它还应该是显而易见的,在制作精良,治愈混凝土最小水与水泥比率,它将氯通过凝胶孔的运输运输的氯化贴的指导思想。在毛细管孔隙水的运动已经Bordallo等的研究的重点。的障碍限制了凝胶孔隙中的氯离子,氯离子传输的基础。

图5。体积的组件的水化水泥贴的水化程度的函数(α)。当水泥水化(1)75% w / c = 0.42 6%的体积毛细管孔隙化学收缩孔隙和14%,(2)0.8 w / c = 4%的体积是化学收缩孔隙和43%毛细毛孔。

有约束力的氯离子水泥贴(25 - 28)。的影响渗透的概要文件是不能理解但一直在“允许”一些计算。因为模型的复杂性没有尝试这种效应综述尽管信念可能大大改变大量的氯允许进入硬化水泥浆。这种效应可能大大改变了扩散系数但并不明显的质量适合渗透概要文件时可能产生重大影响的预测未来氯入口。它可以认为有两种类型的绑定氯离子的贴。首先是在双层毗邻粘贴表面。这里认为整体粘贴表面带负电荷,阳离子如K⁺和Ca^{2 +}被吸引到表面。这些阳离子反过来又会吸引带负电荷的阴离子₄^{2 -}Cl^{- - - - - -}噢,^{- - - - - -}。这与第二个假设的方法绑定Friedal形成的盐(表面带正电)吸引和带负电荷的阴离子结合₄^{2 -}Cl^{- - - - - -}噢,^{- - - - - -}。

竞争的阴离子结合位点将确保氯绑定的数量将取决于孔隙水的化学。因此不同水泥成分具有不同孔隙水成分可能显著减少氯的入口速度的贴。的氯离子电荷的重要性是余等[29]所示测量氧气的相对扩散氯的毛孔贴被水化关闭。氧气和氯化物都溶解在孔隙水,发现有两个扩散率之间没有简单的线性关系。溶解无电荷的氧气更比带负电的氯离子的移动。随着毛孔关闭在水化氯离子传输降低了溶解氧的多。

海水对水泥贴

它已经表明,海水大幅度修改的成分和孔隙结构水泥粘贴在混凝土和迫击炮(30 - 31)。低地和拉比[31]比较三种不同的混凝土被暴露在北海长达16年,并测量了表面的年代,镁,钠和k .但是没有C剖面测量,这可能给一些重要信息,海水中碳化是可能的。

它还应该被认为是任何Ca(哦)₂(氢氧钙石)层的混凝土表面应淋滤长时间暴露在海面上。所有的这些因素都表明在混凝土表面会有相当大的修改可能事实上抑制氯后几年的入口。这样修改可以被认为改变成分可能是为什么在某些具体的氯化表面滴。当这发生在拟合穿透概要文件通常不适合任何表面异常值。

这上面的猜测是真的,海水也减少氯入口通过混凝土表面上的“皮肤”则需要使用暴露在海水中而不是生理盐水来估计氯入口。有人指出白等[32]使用合成海水,这可能是一个卓有成效的地区跟进。但是它必须意识到混凝土海水的浓度可能是至关重要的。例如,如果海水碳酸盐在很小的浓度持续暴露的混凝土相同的碳酸水很快就会排在真正的海水会不断刷新。同样年代和Mg的浓度可能是重要的。

还应该指出的是,将有相当大的差异合成海水和真正的海水。首先·林德沃[33]来衡量不同的氯进入相同的混凝土在世界的不同部分(包括澳大利亚)和伟大的差异渗透主要归功于水的温度的差异和不同浓度的氯离子在不同的海域。其次固定数量的化学物质会耗尽(除非他们补充)连续暴露于混凝土,混凝土在海里将面临相同的浓度。合成海水也可能有不同的物种形成真正的海水。(尚未出版工作在本实验室使用Phreeqc[34]确实发现只有轻微的差异计算物种形成的两个水域。)海水对混凝土暴露在海水中8个月或7年日本海相比已有混凝土由OPC PFA和地面粒状高炉矿渣(GGBFS)鸟居et al [34]。对混凝土的影响对不同的混凝土既重大又明显不同。

引用

这些论文的第3部分中给出

详细联系方式

劳里奥尔德里奇
监控保证耐用性,
24巴尔莫,
住宅

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