水泥基材料中氯离子扩散预测研究

孟 起 曾庆林

金陵科技学院建筑工程学院（211169）

0 引言

氯离子引发的钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性下降的主要原因之一。氯离子侵入钢筋混凝土结构中后，会使钢筋周围混凝土的pH 值下降，从而破坏钢筋的钝化膜，在钢筋表面形成腐蚀电池，侵入的氯离子还会加快腐蚀电池的作用速度，进一步地加快钢筋锈蚀进程[1]。开展氯盐环境下混凝土耐久性问题的研究，对延长钢筋混凝土结构的使用寿命、降低工程的安全隐患、节约资源和成本有着十分重要的意义。

我国有关部门自20 世纪60 年代就开始了针对海港工程混凝土结构破坏状况的调查[2]。在对华南、华东地区的27 座海港混凝土结构调查中，发现其中有74%的结构存在因钢筋锈蚀而造成的破坏。国外同样面临着钢筋混凝土耐久性问题，形势也非常严峻。澳大利亚Sharp[3]对62 座海岸混凝土结构进行了调查，发现浪溅区出现了严重的锈蚀破坏。英国为解决海洋环境下混凝土建筑物的腐蚀与防护问题，每年需花费接近20 亿英镑。

综上所述，氯离子引发的钢筋锈蚀导致的混凝土结构耐久性问题非常严重，因钢筋混凝土结构耐久性不足而造成的经济损失十分巨大。文章在阐述氯离子扩散机理的基础上，介绍了现阶段常用的氯离子扩散预测模型，总结了现有模型的优缺点，提出了预测模型改进建议。

1 氯离子扩散机理

扩散指的是溶液中的离子，在化学势能梯度的作用下，从高浓度处向低浓度处定向迁移的过程。根据离子的扩散通量是否为一稳定值，扩散被分为稳态扩散和非稳态扩散。

当扩散通量达到稳定状态时，其值的大小不再随时间而发生变化，体系达到稳定状态，此时的扩散过程为稳态扩散，常用Fick 第一定律表示为:

式中，D为扩散系数 （m2/s）；C为氯离子浓度（%）；x为深度（m）。

当扩散通量是一个随时间和位置变化的变量时，体系的扩散过程称为非稳态扩散，常用Fick 第二定律表示为:

2 氯离子扩散预测模型

氯离子扩散模型是预测氯盐环境下钢筋混凝土结构的使用寿命的基础，国内外学者经过多年研究，建立了相应的氯离子扩散模型。

2.1 通用氯离子扩散模型

对于非稳态氯离子扩散，Fick 第二定律是最常用的扩散模型，在一维情形下通常表示为:

式中，D为氯离子扩散系数 （m2/s）；t为暴露时间（s）；x为扩散深度（m）；C（x,t）为暴露时间t后深度x处的氯离子浓度（%）。

通过给定初始条件C（x,0）=C0及边界条件C（0,t）=Cs，得到式（3）的解析解为:

式中，C0为初始氯离子浓度 （%）；Cs为表面氯离子浓度（%）；erf 为误差函数。

2.2 考虑暴露时间的氯离子扩散模型

在后续的研究中发现[4]，扩散系数并非为一定值，而是会随着水泥水化的进行而随时间变化。Thomas 等[5]于1999 年首先对扩散系数表达式进行了改进:

式中，m为龄期系数；D0为参考暴露时间t0时的参考瞬时扩散系数。

Tang 和 Gulikers[6]则将式（5）代入 Fick 第二定律解析式中以建立扩散预测模型，通过将式（4）中的D 换成D(t)，并将∂T=D(t)dt代入，得到:

对T在区间[tex,tex+t]上进行积分，其中tex为养护龄期，得到如下积分结果:

将式（7）代入式（6），最终得到如下预测模型:

3 模型优缺点分析

上述模型的可行性已在后续的研究中得到验证，并被广泛应用于预测氯离子的扩散规律。但是上述模型仍然存在一定的局限性，其中，式（4）中的扩散系数被假设为一定值，但是在实际扩散过程中，由于持续的水泥水化反应等因素的影响，扩散系数是一变值。式（8）虽然解决了扩散系数随时间变化的问题，但是也存在一定缺陷:首先，该模型主要针对的是标准养护28 d 的混凝土，而在实际工程中，很难保证28 d 的标准养护；其次，模型中的参数和与养护龄期密切相关，不同的养护龄期对应不同的参数值，一旦养护龄期发生变化，参数值就需要重新确定；最后，参数值的确定过程较为繁琐，需要进行大量的试验和计算，耗时较长。

4 改进建议

氯离子的扩散不仅受到暴露时间的影响，还会受到养护龄期、温湿度等多重因素的影响，因此还需要进一步研究这些因素对氯离子扩散的影响，建立多因素影响下的扩散模型。同时，在建立模型的过程中，还需考虑模型参数的变化规律，模型参数通常会随着影响因素的改变而发生变化。因此，建立关于参数的表达式，或者建立相应的参数数据库，能够有效地增加预测精度，提升预测效率。

5 结语

氯离子引发的钢筋锈蚀导致的混凝土结构耐久性问题非常严重。文章在阐述氯离子扩散机理的基础上，介绍了现阶段常用的氯离子扩散预测模型，总结了现有常用模型的优缺点，并提出了预测模型改进建议。现有的氯离子扩散预测模型能够在一定程度上较为准确地预测氯离子的扩散情况，但是仍然存在诸多缺陷，有很大的改进和完善空间。因此，建立并完善氯离子扩散模型，为准确预测钢筋混凝土结构的使用寿命提供理论依据，对提高混凝土的耐久性具有十分重要的意义。