作者AZoM2012年2月3日
劳里奥尔德里奇
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提交：23理查德·道金斯2011年11月
第8卷2012年1月
主题
摘要
关键词
背景
用菲克定律模拟氯的扩散
从文献资料解释混凝土中氯离子的渗透概况
不同龄期混凝土氯离子渗透曲线的拟合
参考
联系方式
摘要
每年要花费数十亿美元来更换有缺陷的基础设施，而这些基础设施仅仅是因为混凝土无法达到预期的使用寿命而需要更换。这一成本的大部分是由于氯离子进入混凝土的影响，从钢筋上移除保护套，从而导致基础设施的破坏性腐蚀因此，准确预测氯离子进入混凝土的速率将导致制定适当混凝土保护层的规范，以规定使用寿命。
已有大量研究表明，混凝土在不同规定时间段内暴露于氯化物溶液中的氯化物渗透剖面。在这一系列论文中，这些数据集使用excel电子表格拟合到一致的简单半经验菲克定律方程。拟合方法似乎足够稳健，因此可以拟合随时间变化的氯化物曲线。此类拟合可用于估算混凝土的使用寿命，该寿命受距离结构表面一定深度处放置的钢筋的氯化物腐蚀限制。
在这一部分-第三部分系列的第二部分，文献数据集的拟合半经验模型显示。
关键词
混凝土，耐久性，氯扩散，钢筋腐蚀，使用寿命
背景
本系列的第1部分，使用简化版本的Fick的定律方程式来计算来自等式的氯化物曲线
C(x) = S (1-erf[x/(2*根号{t*D})) (1))
式中，C（x）是氯化物的量，表示为粘合剂的百分比，x（mm）是距离表面的距离，S是氯化物的表面浓度，t是时间（年），D是扩散系数（mm2/注：这可以转换为国际单位制对D（m）的定义2/秒）除以~31.5*10-12年．
这种关系依赖于S和D不变的假设，但事实并非如此。我们发现，[15]，S和D都随时间而变化，这种变化可以用幂律来预测
D (t) = D0(t / t0）- n（2)
S（t）=S0(t / t0）M(3)
其中t0为参考时间(一般为28天或0.07年)
n和m是介于0和1之间的幂。注意方程2和3的符号不同，因为S随时间增加，而D随时间减少。事实上，就像后面要讨论的那样，只有随着时间的推移，混凝土才可以在海水中使用。
结合方程式1、2和3，得出将在本报告其余部分中使用的菲克定律方程式（4）。
C (x) =0(t / t0）M（1-erf（x/{2sqrt（td0(t / t0）- n)}) (4)
强调方程(4)只是半经验的，应该被视为拟合的工具，而不是一个物理方程，可以用来预测精确的长期解。在本系列的这一部分中，工作的重点是拟合来自一些作者的数据，他们测量了在不同时间的氯化物渗透剖面。这些拟合到方程(4)作为时间的函数，幂级数指数，D0&0一般28天服用。
用菲克定律模拟氯的扩散
根据菲克定律计算氯离子扩散率时使用了许多近似值，如果要从氯离子进入估算实际设计寿命，必须了解这些近似值。Page等人[36]测量了可被视为完全反应水泥浆体的氯离子扩散，发现氯离子扩散率随水胶比w/b和水泥浆体温度的不同而发生显著变化。显然，不同水泥之间存在很大差异，具有PFA或GGBFS的混合水泥的氯离子扩散率显著高于其结果[36]通常用于推断海洋暴露的预期温度。
表1。以普通硅酸盐水泥(OPC)、抗硫酸盐硅酸盐水泥(SRPC)和掺有粉煤灰(PFA)或矿渣(GGBFS)的水泥制成的全养护水泥浆(w/ b0.5)的扩散系数。结果通过扩散法测定[36]。
| 粘贴 |
D * 10-12年M2/秒 |
D毫米2/年 |
| OPC |
4.5 |
140 |
| SRPC |
10．0 |
320 |
| OPC PFA 30% |
1．5 |
47 |
| OPC / 65% ggbfs |
0.4 |
12 |
| OPC |
4.5 |
140 |
水泥类型对水泥浆中氯离子扩散率的影响由Hansson等人[37]确定。他们发现不同的水泥在氯的扩散上有一个数量级的差异。Hansson等人随后发现，大部分差异是由于水泥浆的细度造成的。
表2。扩散系数比较（mm）2/年)不同的膏体，在30°C[37]下，以w/b比0.4或0.6固化28或90天。
| 影响的时间 |
28天 |
90天 |
| w/b的影响 |
0.4 - 0.6 |
0.4 - 0.6 |
| 类型的水泥 |
|
|
|
| OPC |
85 337 |
82 |
| 快硬OPC |
139 576 |
110 677 |
| 抗硫酸盐水泥 |
239 668 |
302 901 |
Ashbridge等人的[39]研究表明，当砂浆由水泥浆组成(扩散系数D我)掺砂与膏体体积分数Φ具有有效扩散系数Deff可通过以下公式进行近似计算：
Deff= 2 D我(1- Φ)/(2+ Φ) (6)
根据该公式，预计混凝土比相应的水泥浆体更耐氯化物。
从文献资料解释混凝土中氯离子的渗透概况
Bai等人[32]制作了十一种混凝土混合料，其中粘合剂为普通硅酸盐水泥或粉煤灰或偏高岭土（OPC–PFA–MK），含量为390 kg/m3.，水灰比为0.5，适用于多种MK–PFA组合。脱模后，将样品水固化28天，涂上耐海水涂层材料，然后将其暴露在由30 g/l NaCl、6 g/l MgCl制成的合成海水中，持续一段时间2， 5克/升MgSO4，1.5克/升硫酸钙42 h2O和0.2 g/l KHCO3.．作为深度的函数测量切片和氯化物渗透型材的样品。代表OPC的谱或将30％的OPC被PFA取代，然后进行转化，以使CL含量表示为％wt粘合剂。
使用excel电子表格和excel求解程序可以计算出D和S在t点的值0(定义为28天)使用公式4。对于OPC混凝土D(t0)和S (t0) 33毫米2/ YRS分别与M = 0.22和n分别设定为0，而对于OPC / PFA混凝土D（T0)和S (t0)为20毫米2/yrs和0.31%，m=-0.87, n=0.67。
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图6。将Bai等人[32]的数据与100%OPC混凝土和70%OPC-30%OPC混凝土的拟合进行比较。
表3。通过方程式4拟合Cl剖面时，比较Bai等人的100%OPC混凝土和70%OPC-30%OPC混凝土数据[32]。拟合数据和质量如图5所示。
| 影响的时间 |
100％opc. |
70% opc 30% PFA |
| 个月 |
D(毫米2/年) |
D(毫米2/年) |
| 2 |
33个2.1 |
12.1 - 0.6 |
| 4 |
33 |
8.0 1.1 |
| 10 |
33 3.0 |
4.6 - 2.5 |
| 18 |
33 3.4 |
3.2 - 4.2 |
接下来的两幅图显示了数据和结果拟合的曲线图。合身的质量比预期的好得多。然而，在OPC混凝土中有一个问题，当D随时间增加时，允许D值随方程2变化，这表明D相对于时间是常数。因此，n的值固定在0，以给出发布的拟合。
值得注意的是，尽管100% OPC可以用图5中的数据更好地拟合方程4，但这一定是由于数据中的错误，因为拟合没有物理意义。因此得出结论，对于OPC混凝土，扩散不随时间发生显著变化。相比之下，70%OPC-30%OPC的混凝土扩散随时间变化显著。对于100% OPC和70%OPC- 30%OPC的混凝土，S与时间的关系存在惊人的差异。如图6所示。对于由100% OPC制成的混凝土，在2年后S似乎没有显著增加，但对于70%OPC-30%OPC则没有这种模式。事实上，符合的模式意味着100年后，100%以上的粘合剂实际上是氯化物。这是最不可能的，并说明了当行为的物理原因不被理解时，超出实验数据外推这类实验数据是愚蠢的。
Tang[40]报告了一些暴露在海水中长达10年的混凝土。数据包括在浸没区浇筑的混凝土，并在水胶比为0.35、0.40和0.50的情况下使用三种不同的OPC制成。这些水泥被命名为Anl-瑞典抗硫酸盐水泥、Deg400-丹麦抗硫酸盐水泥和Slite-瑞典OPC。已公布的这些水泥的氯离子进入剖面图已数字化，结果以及与方程式4的拟合如图7所示。
表4。方程4的参数用于拟合由硅酸盐水泥制成的不同水胶比的混凝土的氯化物曲线(Tang[40])。D0(毫米2/s） &s0(相对于粘结剂的wt % Cl)在28天后进行。(在显示的数据中，w/b在0.35- 0.50之间变化)。使用了三种不同的水泥;丹麦水泥和瑞典水泥。拟合(以直线表示)和数据(以散点图表示)如图7所示。
| w/b |
|
D0 |
N |
年代0 |
M |
|
D0 |
N |
年代0 |
M |
| 0.35 |
12月 |
189 |
0.46 |
1．20 |
0.12 |
|
|
|
|
|
| 0.35 |
退火 |
334 |
0.43 |
1．16 |
0.18 |
Slite |
71 |
0.15 |
4.63 |
0+ |
| 0.40 |
退火 |
126 |
0+ |
2．11 |
0.15 |
Slite |
84 |
0.02 |
1.86 |
0.14 |
| 0.50 |
退火+ |
197* |
0+ |
1．17 |
0.32 |
Slite |
3190 |
0+ |
0.91 |
0.27 |
+拟合时将该参数设置为0
＊请注意，此拟合中省略了两个数据集
0注意，中间的数据集在这个拟合中被省略了
尽管图6所示的拟合在数据和方程4所拟合的线之间具有令人印象深刻的一致性，但在拟合过程中仍需谨慎处理。首先，当W/B比为0.50时，中间剖面必须被忽略。Tang认为这些结果中的一些可能是由于分析错误或铸造偏析造成的。轮廓的形状表明，即使不是不可能，也很难将轮廓与菲克定律相吻合，然而轮廓的规律性表明，简单的误差无法解释轮廓的形状。“解释结果”是很有诱惑力的，因为它暗示海水正在寻找不受扩散限制的路径，铸造缺陷实际上是导致不合格结果的原因。其次，只有将某些参数设为零而不进行拟合时，才能进行拟合。这些病例见表5。
应注意的是，Tang报告了使用NT Build 492从实验室固化约6个月的样品中获得的扩散估计值。令人惊讶的是，Tang报告的NT Build 492结果（治疗6个月后）与他根据多年暴露在海水中的样本估算的D值具有相似的量级。这样的结果非常令人惊讶，因为可以预期（1）扩散率的时间依赖性将确保后一个估计值的扩散率显著降低，（2）海水比NaCl溶液更能抑制扩散，（3）盐溶液中的氯浓度大于海水中的氯浓度会提高氯的扩散率。这些观察结果的解释可能是以下因素的组合：（i）不同的暴露温度，（ii）海洋暴露造成的机械损伤，开放微裂纹增强了Cl传输（iii）由于铸造样品的差异，样品中的铸造缺陷引入了取样误差。无论对这些现象的解释是什么，都应该进一步研究。
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图7。唐的数据[40]。在不同时间和水粘合剂比例和水粘合剂比例和硫酸盐抗性（SLITE）和硫酸盐抗性（SLITE）和硫酸盐抗性（ANL和DEC400）的配合和绘制的氯化物曲线。
Collins和Grace[41]测量了香港一个防波堤结构的氯化物渗透情况。该防波堤建于1986年，采用普通硅酸盐水泥混凝土(W/B 0.4)，水泥含量为450 kg/m3.。化学分析取自暴露于周期性海水飞溅条件下的梁底岩芯样品。将其平均数据（见[41]中的图4]）数字化并拟合至方程式4。通过系数2400/450（通过假设混合料密度为2400 kg/m得出）将Cl浓度从%混凝土校正为%粘合剂3.而混凝土中的粘结剂为400kg /m3.).该数据通过方程式4进行拟合，得出D=85 mm2/year S= 0.77, n=0.0, m=0.27。结果如图8所示。
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图8。柯林斯和格雷斯[41]给出的穿透剖面拟合假设D=85 mm2/年份S=0.77、n=0.0和m=0.27。剖面图是在不同时间从暴露于周期性海水飞溅的混凝土中获取的。
另一组数据来自McCarter et al[42]的研究，他们在1991年建造了一座公路桥，在通往大桥的长堤上布置了9个桥墩。桥墩至少有65毫米的覆盖面积，并暴露在潮汐和其他区域。分别在1.17年、2.67年、4.84年和6.67年对桥墩进行了取心，获得了三种混凝土的氯化物剖面;(1)素混凝土(460公斤OPC/ m3.(2)类似的混凝土，但30升/米3.在混合物（3）中添加与（1）相同的钙铁矿但用硅烷处理。6年后，所有覆盖物的Cl%重量百分比均大于0.6%。然而，钙钛矿和硅烷样品都有不寻常的渗透曲线，无法用方程4拟合。似乎存在另一种扩散现象。可能是密封剂抑制了固化，当破坏时，允许根据Volkwein[22-23]的建议，通过水合吸力进入盐水。
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图9。McCarter等人[42]将OPC混凝土中的氯化物剖面与用方解石和硅烷处理的混凝土中的氯化物剖面进行了比较。经处理的混凝土剖面不能通过方程4拟合，这表明氯离子进入受扩散以外的过程控制。
数据集的最终拟合来自新西兰最近的一项研究提供的数据，在该研究中，大量生产混凝土被制成[43]。在研究中，一些混凝土暴露在不同的条件下，并测量氯化物分布。根据公式4选择的混凝土在仅高于高潮水位处暴露于海水中0.5、1.0、1.5、2.5和5.0年。在这些时候，混凝土被取心和重复的氯化物剖面确定。这些混凝土由新西兰通用(GP) OPC水泥和Durcem水泥(DC)制成，其中65%的GGBFS作为水泥替代品(GGBFS或磨碎的粒状高炉矿渣从澳大利亚新南威尔士州肯布拉港进口)。在325 kg/m的目标载荷下，使用了两种不同的水泥含量3.或400千克/米3.粘合剂/混凝土。
这些结果和拟合的剖面如图8所示。除了从表层得到的结果外，氯化物浓度可以看出在拟合结果的预期实验误差之内。正如所讨论的，实际的表面氯离子会随着混凝土暴露在海水中的时间发生变化而变化。值得注意的是，对于两种混凝土S(t)为常数(m=0)，而其他两种混凝土S随时间变化。
混合成分和拟合参数详见表5。
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图10。Lee和Chisholm[43]的氯离子分布图符合GP325 GP400 DC325和DC400混凝土的方程式4。混凝土由OPC（或通用）或GGBFS/OPC（DC水泥）在荷载或325或400 kg/m下制成3.．
表5所示。拟合参数(From符合图8)和数据来自Lee和Chisholm[43]。D0(毫米2/s） &s0（相对于粘合剂的重量百分比Cl）在第28天安装。水粘结剂（w/b）密度（ρ）（kg/m）3.)和28天的抗压强度(MPa)C值均取自Lee和Chisholm[43]。
|
D0 |
N |
S0 |
M |
w/b |
ρ |
足球俱乐部 |
| GP325 |
266 |
0.28 |
1.92 |
0 |
0.49 |
2403 |
54 |
| GP400 |
159 |
0.28 |
1.77 |
0.06 |
0.40 |
2421 |
60 |
| DC325 |
165 |
0.58 |
4.63 |
0 |
0.49 |
2442 |
39 |
| DC400 |
158 |
0.61 |
2.37 |
0.18 |
0.44 |
2442 |
42 |
不同龄期混凝土氯离子渗透曲线的拟合
在本部分审查中，在文献中发现了许多不同的混凝土，这些混凝土在不同时间暴露于氯化物后，其渗透剖面已经公布。所有这些剖面都已转换为通用单位，并通过方程式4进行拟合。除三个数据集的信号外，所有这些剖面都可以通过方程进行充分拟合。McCarter等人[42]的三个例外情况，其中两个样品与水密封，Tang[40]的Anl（W/C=0.5），其中早期氯化物浓度大于后期。必须将该Anl样品视为有缺陷，并从进一步分析中丢弃。相反，McCarter样品指出，在这种情况下，扩散并不能控制氯化物的渗透。这可能是由水化吸力引起的。
认为固化时间是控制和限制氯离子扩散的关键因素之一。然而，在大多数样品中，固化是在样品暴露于氯化物时进行的，这是本综述中令人惊讶的结果之一，这个复杂的问题可以如此好地用公式4中定义的半经验函数来拟合。
还需要注意的是，有很多不同的暴露因素，包括;氯化物的浓度、氯化物的温度、海水的存在或不存在、水泥与氯化物结合的能力，以及用于测量渗透剖面的不同技术(和暴露条件)。这些因素都能显著改变氯化物的渗透曲线。此外，大多数样品暴露在水下。相反，Lee和Chisholm[43]的样本暴露在高潮带的上方。含水饱和度和干湿条件对氯离子输运的影响尚不清楚。尽管存在这些问题，但仍建议用式4近似地模拟氯离子的输运。
参考
这些在论文的第三部分中给出
联系方式
石油醚奥尔德里奇
公司:
监测耐久性的应用，
24巴尔默·克雷斯·沃诺纳，
新南威尔士州2517
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