2012年2月4日
Laurie Aldridge和Frank Collins
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提交：12月9日th，2011年
第8卷2012年1月
主题涵盖
抽象的
关键词
介绍
提出的使用寿命计算方法
在没有估计表面氯离子浓度的情况下使用寿命估计
方法的灵敏度
讨论
结论
参考
联系方式
抽象的
全球需要估计暴露于氯离子的钢筋混凝土的使用寿命。钢筋混凝土的使用寿命受氯化物诱导的钢筋腐蚀的限制，众所周知，这种腐蚀的成本显着。氯离子侵蚀早已为蓝本，基于菲克其中氯离子轮廓到混凝土盖与第二定律公式;扩散的时间，入口的距离，在该混凝土（d）氯离子的扩散常数，和混凝土表面（S）上的氯离子的浓度。
为了预测混凝土保护层的使用寿命超过钢筋则两个d和S的依赖性随时间必须被建模。存在要由判定d＆S.本文介绍的时间依赖性，使得在28，56，112，＆224天氯离子渗透后确定d和S的方法的常规预测使用寿命提供给工程师没有简单的方法。该方法生产的需要与能够在Excel电子表格中进行所有的计算简单的服务寿命预测的数据。在本报告中所述方法的鲁棒性是使用蒙特卡洛方法，其中来自在d＆错误S IN估计使用寿命被计算的错误检测。
关键词
使用寿命，耐用性，钢筋混凝土，氯化物进入
介绍
全球需要估计暴露于氯离子的钢筋混凝土的使用寿命。钢筋混凝土的使用寿命受氯化物诱导的钢筋腐蚀的限制，众所周知，这种腐蚀的成本显着。澳大利亚建造基础设施的大部分集中在海岸线周围，易受暴露于氯化物海水，地下水，地表水和喷雾的腐蚀效果。如果未经检查，腐蚀恶化可能导致功能性，无计划维护/修复/更换，以及在最糟糕的情况下，结构完整性和所得安全风险的损失。恢复劣化基础设施的社区负担是2-4％GDP / Annum [1-2]。
在计算可靠的使用寿命之前，需要知道混凝土中氯离子的含量。Aldridge[3]回顾了许多工人对菲克第二定律的使用，以模拟混凝土在氯离子暴露的不同时间的氯化物分布。这个定律产生了一个公式，用来计算在特定时间内氯的组成与距离表面的函数，假设S和D都是时间无关的
C（x）= s（1 - ERF（x / {2 sqrt（t d）}）（1）
在哪里;C（X）是氯化物型或氯化物的浓度（有时作为混凝土的重量％，但应表示为距离X的干粘合剂（水泥或水泥和补充胶凝材料}的重量％[欧洲杯足球竞彩Mm]，S是在与C（x）相同的单元中的氯化物表面的浓度，作为C（x），T是多年的混凝土暴露于氯离子D的时间是扩散系数用mm表示氯化物2/年。
它假定两个S＆d是独立的时间，该时间是不是这种情况（3）这个方程是没有用的。S和d必须被认为是依赖于时间的电力法，其中所预测
d（T）= d0.（t / t0.）-n（2）
s（t）= s0.（t / t0.）m（3）
值n和m是0卧在标志之间和1。注意差在方程2和3是由于这样的事实，即s增加到随时间而d随时间而降低功率。
结合方程1、2、3得到方程(4)。
c（x）= s0.（t / t0.）m(1 - erf(x/{2根号t D0.（t / t0.）-n）}）（4）
如审查[3]所指出的，这种等式是许多服务寿命预测模型的基础。遗憾的是，审查的模型都没有得到可靠的估计n或m的方法。因此，发现D和S的不可靠的时间依赖性估计表明，只能在不准确地确定D的情况下生产使用寿命预测的缺陷值0.，S.0.，n和m用于与此类服务生活相关的实际混凝土。
在这项工作中，我们建议了一种确定D的方法0.，S.0.，n和m用于混凝土。为了估计使用寿命的精度，已经产生了计算的氯化物值的数据集。使用的方法和数据位于作者中提供的Excel电子表格中。
为了突出计算使用寿命的边界条件，在许多条件下计算了氯化物的进入。根据公式1，在100年的时间内，当S的范围从2.78到6.95 wt%结合剂时，70mm深度的氯化物浓度作为d的函数计算。这些结果绘制在图1中。当D = 16毫米2/年＆s = 2.78wt％粘合剂在100年的覆盖覆盖物的氯离子浓度为0.6wt％的粘合剂。因此，对于盖子的混凝土，盖子为70毫米，S为2.73和D 16 mm2/年，如果在此假设引发氯化物腐蚀所需的氯化物的临界浓度是干粘合剂所需的氯化物临界浓度为100年。这种假设遵循Bamforth [4]，并且在他的出版物中讨论了本假设中固有的限制，并且限制在图1中显示为垂直线。
因此，可以在覆盖深度x时计算使用寿命（基于腐蚀的时间）以覆盖深度x计算C当D.0.S.0.如果假设覆盖深度的氯化物浓度大于0.6％，则已知N和M。这种计算的使用寿命将是保守的估计，因为预期腐蚀只会在这次之后发生。但是，表面氯化物非常依赖于暴露环境。例如，在飞溅区中，由于润湿和干燥比较的混凝土，表面氯化物的表面氯化物将相当大，这是100％空气暴露的混凝土[5]。
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图1。在70毫米盖氯离子浓度在100年后的表面酰氯（S）的函数，并且氯离子扩散系数D.
提出的使用寿命计算方法
D和S的测量应在28、56、112和224天使用Nordtest (1995) NT Build 443“混凝土，硬化:加速氯离子渗透”的修改。本试验将进行修改，使测量结束时的固化时间为测量时间。自然对数D与自然对数T的比值n和D的比值0.可以导出。同样的年代0.且m可从S（t）的类似地块来获得。
在表1和2中，给出了两个例子来说明该过程。从本文的表（6）中给出的[3]中给出的突穿轮廓，将数据源从给出的渗透分布生成[3]。从该数据D和S计算并添加到分布的随机数以模拟来自S和D的确定预期的误差。可以假设值的精度使得D的％变化系数D是10％，而S的百分比标准偏差是混凝土重量的约1％（假设关于粘合剂的大约六个重量的混凝土是暗示S的百分比变异系数约为约5％（％wt粘合剂）。注意，参考文献[6-7]中讨论了D和S（在实验室内和实验室内部）的精确度[6-7]。
The Times（28,56,112和224天）是基于未发表的工作，由A. Jajou Kirk Villanas，K.Fernado和L.P. Aldridge。虽然理论上是可以省略224天的数据（并且可以在可以完成这一点的情况下，在Excel电子表格中所示的近似配合中展示它，强烈建议使用完整的四次。确实如将显示稍后的准确值D应估计10年，并且此类外推应采取数据，直至至少224天。
表格1。例1 -三个独立的D值(mm2/年）＆S（Cl％粘合剂）在28,56,112和224天内确定。在三次测量的平均值估计也显示。对于在表中的数据源1和2见上面的文本。
| 时间日 |
年 |
D.1（t） |
D.2（t） |
D.3.（t） |
D.AV.（t） |
S.1（t） |
S.2（t） |
S.3.（t） |
S.AV.（t） |
| 28 |
0.077 |
160 |
165 |
149 |
158.7 |
2.35 |
2.5 |
2.43 |
2.43 |
| 56 |
0.153 |
104. |
75.5 |
105. |
95.2 |
2.71 |
2.52 |
2.7 |
2.64 |
| 112. |
0.307 |
63.8 |
64.9 |
67.2 |
65.3. |
3.12 |
2.75 |
3.02 |
2.96 |
| 224. |
0.614 |
33.1. |
41.7 |
43.4 |
39.4 |
3.49 |
3.33 |
3.42 |
3.41 |
表2。例2 -三个独立的D值(mm2/年）＆S（Cl％粘合剂）在28,56,112和224天内确定。还显示了一式三份测量的平均估计
| 时间日 |
年 |
D.1（t） |
D.2（t） |
D.3.（t） |
D.AV.（t） |
S.1（t） |
S.2（t） |
S.3.（t） |
S.AV.（t） |
| 28 |
0.077 |
248. |
243. |
275 |
255.2. |
1.90 |
1.99 |
1.88 |
1.92 |
| 56 |
0.153 |
220. |
201. |
213. |
211.2 |
2.00 |
1.86 |
1.80 |
1.89 |
| 112. |
0.307 |
230. |
185 |
180 |
198.4 |
1.76 |
1.94 |
1.93 |
1.88 |
| 224. |
0.614 |
165 |
147 |
144 |
152.0 |
2.09 |
1.79 |
1.93 |
1.94 |
来自示例1和2的数据的图在图2和3中找到了Excel电子表格，用于执行等式5和6的回归，并且为D获得的值0.，S.0.，N＆M在表3（例如1）和表4中给出（例如2）。
ln（d / d28）=斜坡D.Ln (T / T0.）+拦截D.（5）
Ln (S / S28）=斜坡S.Ln (T / T0.）+拦截S.（6）
这里;D.28和s28是t的扩散和表面浓度0.的28天，N = - 斜率D.m =斜率S.，D.0.= D.28* exp(拦截D.），＆S0.= S.28* exp(拦截S.）。如上所述，所有回归都在LN的曲线上进行（T / T.0.）v的ln（d / d28）
表3。示例1 - 具有N，M，D的导出值的平均值的回归数据0.&年代0.
| 蒂米亚 |
Ln (T / T0.） |
|
ln（d / d28） |
|
Ln (S / S28） |
| 28 |
0.000 |
|
0.0000 |
|
0.0000 |
| 56 |
0.693 |
|
-0.5112 |
|
0.0855 |
| 112. |
1.386 |
|
-0.8875 |
|
0.1998 |
| 224. |
2.079 |
|
-1.3924 |
|
0.3412 |
|
|
坡D. |
-0.6569 |
坡S. |
0.1641 |
|
|
截距D. |
-0.0147 |
截距S. |
-0.0140 |
|
|
N |
0.66 |
m |
0.16 |
|
|
D.0. |
156 |
S.0. |
2.39 |
请注意，从示例1 S / s中安装的数据0.出现随时间这对于实施例2，其中S / S的情况下，以改变0.似乎是一个常数（并且m被设置为0）。
应该注意，可以使用自然对数（即将到e的基础）或对基座10上的基础上的基础10。在本文的实际情况下，使用了对基础E的自然对比度。ln图的斜率（t / t0.）v的ln（d / d0.）在D时给予-N0.从d计算AV.(28天)* exp(拦截D.）。类似地M和S0.从ln的图中计算（t / t0.) v的ln (S / S0.）。拟合值在表3和4中发现，图2和3中的图示出。
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图2。从示例1回归的数据和图
表4。示例2 - 具有n，m，d的派生值的平均值的回归数据0.&年代0.
| 蒂米亚 |
Ln (T / T0.） |
|
ln（d / d28） |
|
Ln (S / S28） |
| 28 |
0.000 |
|
0.0000 |
|
0.0000 |
| 56 |
0.693 |
|
-0.1890 |
|
-0.0192 |
| 112. |
1.386 |
|
-0.2517 |
|
-0.0246. |
| 224. |
2.079 |
|
-0.5183. |
|
0.0069 |
|
|
坡D. |
-0.2333. |
坡S. |
0.0022 |
|
|
截距D. |
0.0029 |
截距S. |
-0.0115 |
|
|
N |
0.23 |
m |
0.00 |
|
|
D.0. |
159.13 |
S.0. |
2.40 |
使用d的值0.，S.0.，在表3和4中给出的N＆M通过等式4可以以时间为70mm的盖子计算预期的氯化物浓度。该估计在图4中绘制在左侧所示的图中。我们绘制了启动腐蚀的假设限度，并以之前提出了70 mm覆盖的混凝土的使用寿命，我们可以从％CL交叉时估计。在实施例1中，这将大于一百年，例如2将是52年。应当注意，在实施例1的情况下，氯化物浓度在图表上几乎可见。
我们将建议后者，公式2和3可能只有有效期至10年。如果这是这种情况，那么氯化物值将明显较低，并且图4的右侧侧的图表显示了差异。在这种情况下，例如，例如，使用寿命已经36年。
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图3。从示例2回归的数据和图
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图4。用例1(绿色)和例2(红色)推导出的值，从公式4得出的覆盖深度70mm处氯化物浓度与时间的函数。正如文中所讨论的，幂律拟合(即D(t)=D)的有效性存在一些疑问0.（t / t0.）-n＆S（T）= S0.（t / t0.）-n）在图的左侧显示。因此，假设电力定律适用于高达10年，并且使用近似d（t）= d计算d（t）和s（t）的浓度仅适用于d（t）和s（t）0.(10 / t0.）-n＆S（T）= S0.(10 / t0.）-n．右边的图表显示了明显较高的Cl浓度。
在没有估计表面氯离子浓度的情况下使用寿命估计
使用Nordtest（1999）NT构建492“从非稳态迁移的”氯化物迁移系数“而不是NT Build 443存在显着的优势。它更快，只需24小时即可进行，更精确，因此它是质量控制的理想选择。然而，构建492只能测量D而不是S.理论上，通过使用S值的假设来计算SUST的假设可以计算使用寿命的限制值。例如，FIB公告34 [8]的作者假设S可以用作2.79的恒定值。在脊柱曲底项目[9]中强调了具有正确值的重要性，并且在图1中示出了当正确值更高时使用2.79估计来计算使用寿命来计算使用寿命。但是，如果保守假设可能然后是可以估计使用寿命的下限。例如，El Cherkawi [10]在他的使用寿命估计中使用了许多估计，这可能是可以使用NT构建492和S（例如6.4）来估计使用寿命的“最坏情况”。
在El Cherkawi [10]之后并假设存在70mm的覆盖深度并且临界氯化物浓度为0.6％，则进行D和S所需的计算，以获得50和100年的服务生命，并给出结果表5在各种值S表示为S（2.74）的FIB 34估计的比率。
表5。达到50或100年的使用寿命所需的S和D值
| S氯化物表面浓度重量％粘合剂 |
s与fib 34 [8]估计的比率 |
D为100年的使用寿命(mm2/年） |
d为50岁使用寿命（毫米2/年） |
| 1.39 |
0.5 |
40 |
80 |
| 2.78 |
1 |
16. |
32 |
| 4.17 |
1.5 |
12. |
23 |
| 5.56 |
2 |
10. |
19. |
| 6.95 |
2.5 |
9. |
17. |
| 8.34 |
3. |
8. |
16. |
方法的灵敏度
所提出的估算使用寿命的方法依赖于等式2-4提供D和S的半经验性适合，以便可以评估钢筋混凝土的现实服务寿命。这种方法依赖于D和S的时间依赖性。如果在仅在90天或甚至1年后测量的D＆S值，则钢筋混凝土的服务寿命将比预期短得多。然而，在这种时间内固化的混凝土通常被认为是完全固化的。为了测试所提出的模型的能力，我们已经将Aldridge [3]拟合的D和S值达到了Lee Chisholm [11]的数据。该数据和具体性能的概述在表6中给出。四个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作用为水泥更换（GGBF或地面颗粒状高炉渣从澳大利亚克里布拉港口进口。在具有325kg / m的靶载荷的混凝土中使用两种不同的水泥内容物3.或400 kg / m3.粘合剂/混凝土。
表6。lee和chisholm的拟合参数和数据[11]。d0（mm.2/ s）和S0（相对于粘合剂的Wt％Cl）在28天时安装。水粘剂（W / B）密度（ρ）（kg / m3.）28天的抗压强度（MPa）fC所有价值观都取自李和Chisholm [11]。
|
D.0. |
N |
S.0. |
m |
W / B. |
ρ |
FC |
| GP325 |
266 |
0.28 |
1.92 |
0.00 |
0.49 |
2403 |
54 |
| GP400. |
159 |
0.28 |
1.77 |
0.06 |
0.40 |
2421. |
60 |
| DC325 |
165 |
0.58 |
4.63 |
0.00 |
0.49 |
2442. |
39 |
| DC400. |
15. |
0.61 |
2.37 |
0.18 |
0.44 |
2442. |
42 |
从配合计算的服务寿命的比较在表7中给出（行案例1a）。然而，据认识到，等式2和3不能推断100年。对于一些混凝土的电力法，S的旨在意味着，在100年内，表面氯化物的浓度将大于100％。因此，可以建议您对等式2和3的一些限制是必要的。在计算中给出表7，给出了两种情况，其中D（t）和s（t）在5或10年内计算。在早期的纸质中，表明权力法符合10年的数据是可接受的，因此我们建议将十年限制作为合理的合理。我们认为没有数据表明权力法符合10年的职业理由。
Somerville[12]建议，绩效计划的基础是将预期使用寿命划分为不同的时期(以年为单位)，以;小于5,5 -10,10-20,20-40,40-100和大于100年。任何使用寿命模型都应该能够确定混凝土应该适合这些类别中的哪一个。这种预测方法依赖于对拟合参数的准确估计，以获得对未来值的稳健可靠估计。为了验证该方法的有效性，我们用蒙特卡罗方法模拟了100组D和S(28、56、112和224天)的实验数据，误差在前一节中定义。然后根据定义的方法对这些结果进行拟合，并计算模拟结果的标准差。结果如表7所示，并表明所建议的方法将提供足够精确的使用寿命预测，可用于区分具体的类别;小于5,5 -10,10-20,20-40,40-100和大于100年。
表7所示。使用不同型号的李和Chisholm的混凝土（括号中的标准偏差）使用错误（括号中的标准偏差）。案例1a假设表6中给出的配合是正确的。案例1b和1c假设D（t）和s（t），计算假设等式2和3，其中t = 5或10年。案例2全部计算假设D（t）和s（t）在:(案例2a）在T = 10年时的使用寿命（案例2b）或（案例2b）。
|
GP325 |
GP400. |
DC325 |
DC400. |
| 1A：方程4 |
58 |
71 |
> 200. |
> 200. |
| 1b方程4 t = 10yrs |
|
|
|
|
| 1c方程4 t=5年 |
|
|
|
|
| 2模型 |
80（51） |
124（47） |
> 200. |
> 200. |
| 2b型号t at 10yr |
51（12） |
63 (16) |
113（14） |
198（6） |
| 2c型号t 5年 |
31日(8) |
52（19） |
74（8） |
158 (5) |
讨论
结论是[3]不同的水泥给出了具体不同氯化物进入的速率。此外，D和S指控氯化物进入是时间依赖性变量，并遵循等式2和3中定义的电力法。因此，需要诸如此处的方法来定义用于估计使用寿命的S和D的值。
从表7所示结果，很明显，如果D和S的电力法在长时间没有有效，那么使用等式2和3超过100年将大得多高估服务生活。从材料科学的角度来看，难以看看为什么D和S有时欧洲杯足球竞彩应该遵欧洲杯线上买球循权力法，还遵循1年，尚未发表的契约[3]似乎长达10年的权力法关系是有效的。这一结果令人惊讶，应该进一步调查。建议等式2和3只能安全使用长达10年。
因此，迫使暴露于海水水域的混凝土的使用寿命的任何估计都有一个在计算中进行的记录的假设集。目前有许多估计方法“它们似乎并不是很好地预测现实”[9]
我们建议，特别要注意在选择采取d＆S的测试虽然这些数量在不到28天的测量将给予较大的值（d）的时间和较小的值（S）在可靠的估计数进行这些时间可以证明更难以实现。这应该是一个研究课题的未来。
结论
为了用基于菲克第二定律的方程来模拟氯离子的进入，需要考虑到氯离子在混凝土中的扩散常数(D)和混凝土表面氯离子的浓度(S)都是随时间变化的。
尽管良好的需要融入D和S随着时间的推移，但在澳大利亚没有简单的方法可以将这些功能合并到使用寿命建模中，即工程师可以常规使用。本文介绍了这种方法。
测量的渗透谱（应一式三份进行）使用NORDTEST（1995）NT生成443“：加速氯离子渗透混凝土，硬化”的修改后的28，56，112和224天取得。所需的Excel电子表格，以适应这个数据来获取所需的参数可以用电子邮件请求，并且可以在Microsoft Office 2003的Excel上使用“解算器”包安装运行。使用此数据，可以从本文中描述的方法估算使用寿命的保守估计。
建议通过使用S（例如6.0的保守估计），然后可以使用来自非稳态迁移的NordTest（1999）NT构建492“氯化物迁移系数来计算使用寿命的现实”上限““在28,56,112和224天估计d。然而，S的下限（例如2.75）可以给出不可靠的使用寿命估计，并且不建议使用。
参考
1. NACE，“出版物01102预应力混凝土结构的阴极保护标准”。全国腐蚀工程协会，休斯顿，德克萨斯州，2002年。
2.樱桃B.W.，Skerry B.S.，“澳大利亚腐蚀。澳大利亚N1-202的报告。国家腐蚀防治中心。可行性研究”。材料工程系，蒙纳士大学，墨尔欧洲杯足球竞彩本，维克，澳大利亚，1983。
3.阿尔德里奇L.P.，“建模氯离子侵入混凝土部件1-3”，兵器材料在线2011年。欧洲杯足球竞彩
4. Bamforth P.， “加强钢筋混凝土耐久性”。该混凝土协会坎伯利英国，2004年。
5.吴志强，“混凝土表面氯化物含量计算公式的建立”。pp 258-267《混凝土中钢筋的腐蚀》，Page CL, Treadway KWJ, Bamforth PB, Eds, Elsevier Science, Barking(英国)，1990。欧洲杯线上买球
6.唐L.，SørensenH.E.，“用于测量混凝土氯化物扩散/迁移系数的北欧试验方法的精确度”，材料和结构34（8），479-485,2001。欧洲杯足球竞彩
7.瑞姆TC 178-TMC，“分析混凝土推荐中的总氯化物含量”，材料和结构35（9），2002。欧洲杯足球竞彩
8.任务组5.6，“FIB Bulletin 34：使用寿命设计的模型代码”。国际结构混凝土联合会，瑞士洛桑，瑞士，2006年。
9.脊柱，“用于测试混凝土抵抗力的方法的实际使用指南”。EU-PROJECT G6RD-CT-2002-00855混凝土对氯化物进入的阻力 - 从实验室测试到现场性能（CHLORTEST），瑞典国家测试和研究所，BORAS SWEDEN，2005。
氯离子扩散模型10.萨尔瓦多Cherkawi M.E.评估钢筋混凝土结构的估计使用寿命。工程与信息技术学院。悉尼科技大学，悉尼，2011。
11. Lee N.P.，Chisholm D.H.，“新西兰海洋暴露下钢筋混凝土结构的耐久性”。布兰兹，法官，新西兰，2005年。
12. Somerville G.，“服务生活预测 - 概述”，混凝土国际14（11），45-49,1992。
联系方式
作者1
Laurie Aldridge.
监测耐久性的应用，
24 Balmer Cres Woonona, NSW 2517 |
作者2
弗兰克·柯林斯
土木工程学系
蒙纳士大学，克莱顿，VIC 3800 |
电子邮件：(电子邮件保护)