浅析混凝土氯离子扩散系数拟合方法的应用

黄美景

（上海黄浦建设工程质量检测有限公司 上海 200011）

1 氯离子对混凝土的危害

1.1 氯离子会降低混凝土的强度

氯离子在水泥水化过程中会与钙结合生成氯化钙，粉末状的氯化钙是无强度的化合物，有比较大的吸湿性，易于潮解，暴露于外易吸收空气中的水汽，氯化钙粉末易溶于水，20℃时溶解度为74.5g/100g 水，同时放出大量的热，其水溶液呈微酸性。氯离子不仅使得固化后的混凝土中含有无粘结强度的氯化钙［1］，还会对混凝土本身自带的抗化学腐蚀能力进行破坏，混凝土的强度受其影响会有比较明显的下降，减少混凝土结构的使用寿命。

1.2 氯离子会对混凝土中的钢筋造成腐蚀

在钢筋混凝土结构中，钢筋对结构的安全性能有着非常重要的作用。由于氯离子具有很强的氧化能力，与钢筋中的铁元素发生反应生成氯化铁，氯化铁具有酸性，会改变钢筋所处环境的pH 值［2］，钢筋在酸性环境下极易与空气中的二氧化碳、水相结合，生成疏松多孔的铁锈。氯离子对钢筋材料进行腐蚀，导致钢筋表面的钝化膜被破坏［3］，进一步加快了钢筋腐蚀的速度，导致钢筋的有效面积减小，钢筋与混凝土的粘结性减弱，造成钢筋与混凝土的剥离。氯离子在混凝土结构中的破坏性作用主要是腐蚀钢筋从而降低钢筋的强度和承载能力，导致钢筋在结构中降低甚至失去承载力，无法有效地对混凝土结构进行支撑，增加了混凝土结构的风险。

1.3 氯离子会降低混凝土结构的耐久性

氯离子降低混凝土的强度和造成钢筋腐蚀，直接影响结构整体的耐久性能，使混凝土结构无法按照原先的设计荷载进行承载，也不能够在原先规定设计的年限内保证安全和稳定。

对于混凝土结构，强度和耐久性必须满足设计强度和耐久性，而氯离子会降低混凝土强度和耐久性，从而埋下安全隐患。因此，要对氯离子含量、氯离子渗透的能力（用扩散系数或电通量来表示）、氯离子在混凝土中渗透扩散情况高度重视，及时做好试验检测工作，及时掌握试验数据，用来供设计参考复核并指导施工［4-6］。

2 混凝土中氯离子渗透扩散情况检测规定

《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》中明确了混凝土中氯离子渗透扩散情况检测应符合以下规定。

（1）测点位置应选择在不同区域、不同构件具有代表性的部位。

（2）不同区域应各抽取构件数量的5%，且不少于10个构件进行检验。

（3）取样位置应选择在主筋附近，并避开混凝土裂缝和明显缺陷，芯样直径应不小于混凝土粗骨料最大粒径的4倍。

（4）混凝土粉样应分层取样，每一取样点不得少于5 层，各层粉样不得相混。取粉的最大范围为以芯体的中心为圆心，以小于芯体半径5mm的一个圆为最大的范围，随着取样深度的加大，可根据不同的取样工具而逐渐降低取样的最大半径范围，但每次取样的有效范围应大于粗骨料最大粒径的3倍。

（5）取样点相邻位置相同深度段的粉样可混合为一个试样。

（6）混凝土中氯离子含量测定应按现行行业标准《水运工程混凝土试验检测技术规范》的有关规定进行。

（7）混凝土氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子含量可按下式计算：

式中，Cx，t为龄期t时不同深度处的氯离子含量（%）；Ci为混凝土中原始氯离子含量（%）；Cs为混凝土表面氯离子含量（%）；erf 为误差函数；x为距离混凝土表面的深度（cm）；Dt为氯离子扩散系数（cm2/s）；t为混凝土暴露于环境中经过的时间（s）。

3 混凝土氯离子扩散系数拟合实例

某老码头定期检查检测中，按上述方法，分别取得面板1、面板2 等两个部位的5 层粉样，测得的氯离子含量见表1所示。

表1 码头不同深度的氯离子平均含量（%）（以混凝土重量计）

测得混凝土中原始氯离子含量平均值Ci=0.029，已知结构平均浇筑日期为1994年7月1日，取粉日期为2020年8月19日，海水环境下腐蚀9546d（约26.15年），记824 774 400s，要求拟合出扩散系数。

拟合采用软件MATLAB 2020。

3.1 面板1，5点全参加拟合

第1步，如图1，输入代码如下：x=［0.005 0.015 0.025 0.035 0.045］；y=［0.244 0.233 0.204 0.18 0.127］；cftool。

图1 拟合第1步——输入代码

第2步，自动跳出拟合界面，如图2，选择x、y，给拟合命名“面板1扩散系数5点”。

图2 拟合第2步——选择x、y，给拟合命名

第3步，如图3，选择Custom Equation，输入公式0.029+(a-0.029)*(1-erf(x/(4*824774400*b)^1/2))。发现自动拟合效果不佳，如图4所示。

图3 拟合第3步——选择C ustom E quation，输入公式

图4 自动拟合效果不佳

加入中间变量b：

则：

输 入 公 式0.029 +(a - 0.029)*(1 - erf(b*x))，拟合后如图5和图6。

图5 自动拟合效果很好

图6 拟合得到b=11.23，a=0.2705，SSE=0.0006603

按上述步骤，采用不同点组合，可以得到如表2所示数据。

表2 面板1 不同点组合的拟合数据

由拟合结果的极差统计可以看出，扩散系数极差较大，某一点氯离子检测结果可能与事实不符。采用去掉某一点的统计办法，再次统计结果如下。

去掉点1，按点2345、234、235、245、345进行拟合，得到扩散系数极差为2.855×10-12。

去掉点2，按点1345、134、135、145、345进行拟合，得到扩散系数极差为5.376×10-12。

去掉点3，按点1245、124、125、145、245进行拟合，得到扩散系数极差为4.241×10-12。

去掉点4，按点1235、123、125、135、235进行拟合，得到扩散系数极差为6.580×10-12。

去掉点5，按点1234、123、124、134、234进行拟合，得到扩散系数极差为3.948×10-12。

从上述的拟合结果可以看出，第一层测得的氯离子可能比真实情况偏小，第一层参与拟合后扩散系数结果波动较大，去掉第一层数据后扩散系数结果波动最小。

3.2 面板2，5点全参加拟合

输 入 公 式0.029 +(a - 0.029)*(1 - erf(b*x))，拟合后得到a=0.3152，b=16.76，SSE=0.0004019。

按上述步骤，采用不同点组合，可以得到如表3所示数据。

表3 面板2 不同点组合的拟合数据

由拟合结果的极差统计可以看出，扩散系数极差较大，某一点氯离子检测结果可能与事实不符。同样，采用去掉某一点的统计办法，再次统计结果如下。

去掉点1，按点2345、234、235、245、345进行拟合，得到扩散系数极差为1.620×10-13。

去掉点2，按点1345、134、135、145、345进行拟合，得到扩散系数极差为7.364×10-13。

去掉点3，按点1245、124、125、145、245进行拟合，得到扩散系数极差为7.626×10-13。

去掉点4，按点1235、123、125、135、235进行拟合，得到扩散系数极差为1.105×10-12。

去掉点5，按点1234、123、124、134、234进行拟合，得到扩散系数极差为1.242×10-12。

由上述的拟合结果可以看出，第一层测得的氯离子可能比真实情况略偏大，第一层参与拟合后扩散系数结果波动较大，去掉第一层数据后，扩散系数结果波动最小。

4 结语

（1）拟合公式中输入准确时间时，软件自动拟合不出来，加入中间变量后，软件就能得出比较好的结果

（2）每一层的氯离子检测结果都要尽可能准确，否则拟合起来结果波动较大。

（3）第一层的氯离子检测结果受到的干扰因素较多，有混凝土外部浮浆较多等因素，有取样时的因素，有室内试验的因素等，建议去掉第一层数据，可能效果更好。