水泥基材料中氯离子传输试验方法的基础研究

摘要

氯离子渗入并引起的钢筋锈蚀是氯盐环境下钢筋混凝土结构最主要的耐久性问题，每年由此造成了巨大的经济损失。因而，该问题成为混凝土及其结构工程领域的研究热点之一，研究内容主要包括耐久性设计、寿命预测和降低混凝土氯离子渗透性的技术措施等，这几方面均涉及到混凝土氯离子渗透性的试验方法。 在过去的几十年里，提出了许多测量混凝土氯离子扩散系数的试验方法。试验方法主要有自然扩散和电加速迁移试验方法，根据混凝土内部氯离子浓度是否随时间变化，又分为稳态和非稳态试验方法。不同的试验方法，其理论基础和试验条件不同，试验结果也不同；自然扩散试验方法比较符合实际情况，但试验耗时太长且操作繁琐。为在较短试验时间内得出能准确反映混凝土抗氯离子渗透性的试验结果，有必要对混凝土氯离子迁移试验进行系统的基础研究，以得到科学、实用的试验方法与用于预测模型的输入参数。 本文对非稳态自然扩散的NT build443，稳态电迁移的NT build355和上游流量法和非稳态电迁移的NT build492、临界时间法、等量时间法(ACl)、拟和法(AC2)和截距时间法(AC3)，以及它们之间的相关性进行了大量的试验研究与分析。 稳态电迁移试验的对比研究表明：NT build355得到的混凝土氯离子电迁移系数比上游流量法得到的结果低，分析认为其原因是上游流量法的计算公式没有考虑吸附氯离子的影响，因而，导致试验结果偏大；NT build355的精确度比上游流量法要高。因此，NT build355法是更实用的稳态试验方法，其结果更适用于预测氯离子在混凝土中的传输。 非稳态试验方法的对比研究表明：AC1和NT build492两种方法得到的电迁移系数Dnssm与NT build443得到的自然扩散系数Dnssd具有良好的线性相关性：Dnssm=λDnssd，其线性相关系数λ与混凝土的水胶比和所含矿物掺合料种类有关；AC2法得到的电迁移系数与NTbuild443得到的自然扩散系数无相关性；AC3法得到的电迁移系数略高于NT build443得到的自然扩散系数；临界时间法得到的电迁移系数比NT build443得到的自然扩散系数低。不同试验溶液的浓度与温度下的非稳态试验结果表明：当试验溶液的氯离子浓度高于1mol/l时，浓度对电迁移系数Dnssd和自然扩散系数Dnssm的影响都不大；试验溶液的温度对自然扩散系数Dnssd和电迁移系数Dnssm影响不同，扩散系数活化能具有水胶比依赖性，而电迁移系数活化能似乎趋于20kJ/mol。基于理论基础、试验方法的适应性和试验结果的精确度，认为在已有的非稳态电迁移试验方法中，NT build492法最适合于实际应用。 试验结果表明从电迁移试验和扩散试验得到的氯离子等温吸附曲线与经典的平衡法得到的结果相似。本文解释了试验过程中出现的水泥基材料孔溶液中氯离子浓度的浓缩现象，认为其实质是水泥基材料孔壁表面双电层作用的结果。 一般在混凝土的氯离子扩散预测模型中，认为氯离子扩散系数沿扩散方向是恒定的，分析认为氯离子扩散系数是随扩散深度而变化的，因为氯离子扩散过程中混凝土不同深度处的氯离子浓度不同，因而不同深度处的氯离子扩散系数也不一样，一方面由于电化学的原因使扩散系数具有浓度依赖性；另一方面压汞试验结果显示氯离子吸附对孔结构的影响很大，混凝土不同深度处的氯离子吸附不一样，孔结构也可能发生不同的变化，从而影响扩散系数。据此，本文提出了一个分段函数来描述氯离子扩散系数，并将该系数和从扩散试验测得的氯离子等温吸附曲线代入多粒子扩散模型中，得到的混凝土中的总氯离子和自由氯离子的浓度分布的数值模拟结果与试验结果非常吻合。所以，该模型适用于预测饱和混凝土中氯离子的传输。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号和单位

声明

第一章概述

第二章文献综述

2.1氯离子在混凝土中的传输

2.1.1扩散

2.1.2电迁移

2.1.3对流

2.1.4毛细管吸附作用

2.1.5热迁移

2.2氯离子在混凝土中传输的试验方法

2.2.1菲克第一定律

2.2.2菲克第二定律(NT build 443)

2.2.3能斯特-普朗克方程

2.2.4能斯特-爱因斯坦方程

2.2.5形成因子

2.2.6其它方法

2.2.7小结

2.3氯离子吸附

2.3.1影响氯离子吸附的因素

2.3.2氯离子等温吸附曲线

2.3.3确定等温吸附方程的方法

2.3.4氯离子吸附对氯离子在混凝土中传输的影响

2.4寿命预测模型

2.4.1经验模型

2.4.2物理模型

2.4.3可靠度模型

第三章试验方法与原材料

3.1试验计划的概述

3.2试验原材料和配合比设计

3.2.1试验原材料

3.2.2混凝土的配合比

3.2.3水泥浆的配合比

3.3测试方法

3.3.1总氯离子含量

3.3.2水溶性氯离子和自由氯离子含量

3.3.3自然扩散试验

3.3.4稳态电迁移试验

3.3.5非稳态电迁移试验

3.3.6可挥发水含量

3.3.7 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry)试验

3.3.8浓缩现象

3.3.9压滤试验

3.3.10测量变色边界处的氯离子浓度

第四章氯离子在混凝土中传输的试验方法的研究

4.1自然扩散试验

4.1.1非稳态氯离子扩散系数

4.1.2重复性和误差

4.1.3 NT build 443试验方法的理论误差

4.2稳态电迁移试验

4.2.1稳态电迁移试验结果

4.2.2通过试件的电流随时间的变化

4.2.3孔结构

4.2.4重复性和误差

4.2.5关于氯离子在混凝土的迁移模型中的氯离子迁移系数

4.3非稳态电迁移试验

4.3.1非稳态迁移系数的试验结果

4.3.2重复性与误差

4.3.3非稳态电迁移系数和扩散系数之间的关系

4.3.4稳态和非稳态迁移系数之间的关系

4.4温度对扩散/迁移系数的影响

4.4.1温度对NT build 443得到的扩散系数的影响

4.4.2温度对NT build 492电迁移系数的影响

4.5氯离子浓度对扩散/迁移系数的影响

4.5.1氯离子浓度对自然扩散系数的影响

4.5.2氯离子浓度对迁移系数的影响

4.6水胶比对扩散系数的影响

4.7矿物掺合料对扩散系数的影响

4.8初始电流和迁移系数之间的关系

第五章氯离子等温吸附、浓缩现象和变色边界处的氯离子浓度

5.1扩散/迁移试验中的氯离子等温吸附

5.1.1电场对氯离子吸附的影响

5.1.2温度对氯离子吸附的影响

5.1.3水胶比对氯离子吸附的影响

5.1.4矿物掺合料对氯离子吸附的影响

5.2浓缩现象

5.3硝酸银显色法变色边界处的氯离子含量

第六章氯离子在饱和混凝土中扩散的数值模型

6.1模型的描述

6.2方程的数值解法

6.3试验数据与模型的验证

第七章结论和建议

7.1结论

7.1.1关于氯离子在混凝土中传输试验方法的结论

7.1.2关于氯离子吸附、浓缩和显色法变色边界处氯离子浓度的结论

7.1.3关于氯离子在饱和混凝土中传输的模型的结论

7.2建议

参考文献

致谢

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