一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，特别涉及一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法。

背景技术

混凝土是近年来使用最普遍、应用范围最广泛的建筑材料，在建筑工程领域的应用已超过百年。而以混凝土为基础材料制备的建筑结构，在其服役期间会随着使用年限的增长而出现性能劣化问题，主要表现为混凝土结构在物理作用、化学腐蚀和气候因素等作用下引起自身材料劣化，导致承载力衰减，进而降低结构安全性和耐久性。对于老化的在役混凝土结构，采用GO混凝土、ECC、UHPC等新型材料附着于既有混凝土表面是一种有效的加固方法。

氯离子扩散系数是评价混凝土材料耐久性的重要指标，当前多采用快速氯离子迁移系数测定法(RCM法)测定混凝土的氯离子扩散系数测定。然而，由于新型高性能材料加工制作要求高，其附着层厚度较小，故难以直接加工成用于RCM法的标准尺寸试件。RCM法在组合材料应用中存在两个难点：①由于上述高性能材料在加固应用中为薄层形态，其尺寸问题无法加工为标准尺寸的试件，无法直接利用传统RCM法测量其氯离子扩散系数；②RCM法假定材料是匀质的，使用该方法无法直接测得组合材料中各组分的扩散系数。综上所述，采用组合材料进行试验测得新型材料的思路存在困难，难以测量新型材料的氯离子扩散系数，对进一步开展耐久性评价和计算造成困难。

因此，开发一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法，测定在役混凝土的氯离子扩散系数以及新型高性能附着材料修补后的混凝土的氯离子扩散系数。基于Fick定律推导组合材料的等效氯离子扩散系数。反推计算出新型高性能附着材料的氯离子扩散系数。

进一步，将在役混凝土标记为原始基材。将新型高性能附着材料修补后的混凝土标记为组合材料。所述新型高性能附着材料的扩散系数为未知数D

所述构型Ⅰ试件为组合材料试件。所述构型Ⅰ试件包括厚度为x

所述构型Ⅱ试件为均质的等效材料试件。所述构型Ⅱ试件的扩散系数为D

所述构型Ⅲ试件为均质的原始基材等效试件。所述构型Ⅲ试件的扩散系数为D

通过设置构型Ⅰ试件、构型Ⅱ试件和构型Ⅲ试件建立D

其中，扩散系数的值精确到0.1×10

进一步，具体包括以下步骤：

1)测试获得构型Ⅲ试件的扩散系数D

2)测试获得所述构型Ⅱ试件的扩散系数D

3)通过式(2)求解D

其中，扩散系数的值精确到0.1×10

进一步，制作构型Ⅰ试件和构型Ⅲ试件，利用RCM法测定D

进一步，步骤1)具体包括以下子步骤：

1.1)制作构型Ⅲ试件并养护。

1.2)将试件加工成直径为100mm，高度为50mm的圆柱体。

1.3)将装有试件的橡胶桶按一定的角度安装在试验槽中，橡胶桶和试验槽中分别注有KOH和含有NaCl的溶液。

1.4)将经过处理的试件放入试验槽中，按规范规定施加对应的电压，迫使负极的氯离子向试样中迁移。

1.5)经过规定时间后取出试件，冲洗干净后将试样沿轴向劈成两半，在劈开的试件表面上立即喷涂0.1mol/L的AgNO

1.6)待指示剂喷洒15min后，沿试件直径断面将其的分为10等分，并用防水笔描出渗透轮廓线，测量分界线离试件底部的距离。

1.7)计算试件氯离子扩散系数D

进一步，步骤1.1)中，养护天数为28天。养护条件为20℃以及95％恒温恒湿。

进一步，步骤2)具体包括以下子步骤：

2.1)制作构型Ⅰ试件并养护。

2.1.1)以新型高性能附着材料层为预制部分，根据试件尺寸选择合适的模具，倒入拌制完成的混凝土浆体进行浇筑。

2.1.2)将预制部分连同模具在标准条件下进行3天的养护。

2.1.3)在预制部分达到一定强度后脱模，选择一个表面进行人工凿毛。

2.1.4)将预制部分的凿毛表面作为新模板的其中一面，制作后浇部分的模板，并浇筑后浇部分。

2.1.5)在标准条件下养护28天。

2.2)采用RCM法试验，获得D

进一步，采用有限元方法对RCM法试验进行数值模拟，测定D2与D3后，求解D

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可以快速准确地测定新型高性能材料的氯离子扩散系数，为判断耐久性和加固效果提供数据支持；

B.为使用加固手段提供一种有效的监测方法；

C.利用已有的RCM法开发的有限元模拟方法可以避免制作标准尺寸试件。

附图说明

图1为基于RCM的新型材料氯离子扩散系数计算流程图；

图2为构型Ⅰ试件示意图；

图3为构型Ⅱ试件示意图；

图4为构型Ⅲ试件示意图；

图5为实施例3中模型示意图；

图6为实施例3中模型Ⅰ浓度分布图；

图7为实施例3中模型Ⅱ浓度分布图；

图8为实施例4中构型Ⅲ试件示意图；

图9为实施例4中构型Ⅲ试件RCM浓度分布图；

图10为实施例4中构型Ⅰ试件示意图；

图11为实施例4中构型Ⅰ试件RCM浓度分布图；

图12为实施例5中构型Ⅲ试件RCM浓度分布图；

图13为实施例6中构型Ⅲ试件RCM浓度分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例提供涉及快速氯离子迁移系数测定法。参见图1，本实施例提供一种组合材料的氯离子扩散系数测定方法，测定在役混凝土的氯离子扩散系数以及新型高性能附着材料修补后的混凝土的氯离子扩散系数。基于Fick定律推导组合材料的等效氯离子扩散系数。反推计算出新型高性能附着材料的氯离子扩散系数。

值得说明的是，氯离子扩散系数基本计算方程是通过两种组合材料的扩散系数D推得组合混凝土块的扩散系数的方程。基本方程的推导思路如下：

本实施例将在役混凝土标记为原始基材。将新型高性能附着材料修补后的混凝土标记为组合材料。所述新型高性能附着材料的扩散系数为未知数D

参见图2，所述构型Ⅰ试件为组合材料试件。所述构型Ⅰ试件包括厚度为x

故把上层的附着材料等效为不同厚度的既有材料。参见图3，所述构型Ⅱ试件为均质的等效材料试件。所述构型Ⅱ试件的扩散系数为D

基于实际工程应用中的情况，氯离子在混凝土中的扩散一般选用半无限模型，即混凝土的一侧表面具有固定的氯离子浓度，另一侧为无限空间，故可将其视为简单的一维问题。根据Fick定律：

可得到在一维空间扩散情况下，任意厚度处任意时间的氯离子浓度如下：

其中，

因组合材料包含两种不同氯离子扩散系数的材料，上述解不能直接应用构型1。参见图4，所述构型Ⅲ试件为均质的原始基材等效试件。所述构型Ⅲ试件的扩散系数为D

构型Ⅰ试件交界处的氯离子浓度：

构型Ⅲ试件交界处的氯离子浓度：

联立解得：

此时，构型Ⅰ试件和构型Ⅲ试件的交界处氯离子浓度恒等，同时界面以下的材料相同且厚度相等，显然其中的氯离子扩散过程完全相同，扩散结束后的浓度值分布也相同。因此，可以认为构型Ⅰ试件和构型Ⅲ试件完全的等效。构型Ⅲ试件为匀质的混凝土块，扩散系数为D

同样，对于匀质的构型Ⅱ试件，也可直接应用上述解，得到：

因①底部浓度函数一致，即C

解得：

式(9)建立了D

本实施例设计了一种利用RCM法测得组合混凝土材料扩散系数的方法，其主要目的是通过两次RCM试验，测量普通混凝土试件和组合混凝土试件的扩散系数，间接计算出新型材料的氯离子扩散系数。本实施例根据两次RCM法测定已有老旧混凝土与新材料修补后混凝土的氯离子扩散系数，基于Fick定律推导组合材料的等效扩散系数，反推计算出新型材料的氯离子扩散系数实施例可利用混合材料的测试，高效准确的获得新型材料的氯离子扩散系数。

实施例2：

本实施例主要内容同实施例1，其中，本实施例基于《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)规定的相关方法，制作构型Ⅰ试件和构型Ⅲ试件，利用RCM法测定D

1)测试获得构型Ⅲ试件的扩散系数D

1.1)制作构型Ⅲ试件并养护。养护天数为28天。养护条件为20℃以及95％恒温恒湿。

1.2)将试件加工成直径为100mm，高度为50mm的圆柱体。

1.3)将装有试件的橡胶桶按一定的角度安装在试验槽中，橡胶桶和试验槽中分别注有KOH和含有NaCl的溶液。

1.4)将经过处理的试件放入试验槽中，按规范规定施加对应的电压，迫使负极的氯离子向试样中迁移。

1.5)经过规定时间后取出试件，冲洗干净后将试样沿轴向劈成两半，在劈开的试件表面上立即喷涂0.1mol/L的AgNO

1.6)待指示剂喷洒15min后，沿试件直径断面将其的分为10等分，并用防水笔描出渗透轮廓线，测量分界线离试件底部的距离。

1.7)计算试件氯离子扩散系数D

试件氯离子扩散系数D

式中：D

U——所用电压的绝对值(V)；

T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值(℃)；

L——试件厚度(mm)；

X

t——试验持续时间(h)

2)测试获得所述构型Ⅱ试件的扩散系数D

2.1)制作构型Ⅰ试件并养护。

2.1.1)以新型高性能附着材料层为预制部分，根据试件尺寸选择合适的模具，倒入拌制完成的混凝土浆体进行浇筑。

2.1.2)将预制部分连同模具在标准条件下进行3天的养护。

2.1.3)在预制部分达到一定强度后脱模，选择一个表面进行人工凿毛。

2.1.4)将预制部分的凿毛表面作为新模板的其中一面，制作后浇部分的模板，并浇筑后浇部分。

2.1.5)在标准条件下养护28天。

2.2)采用RCM法试验，获得D

3)通过式(2)求解D

式中：D

x

x

D

D

实施例3：

本实施例主要内容同实施例1，其中，由于RCM法试验花费较多时间，采用有限元方法对RCM法试验进行数值模拟，测定D2与D3后，求解D

式中：D——新材料的扩散系数(m

L——试件厚度(mm)；

X

a,b——待定系数；

现有资料表明，AgNO

式中：D——新材料的扩散系数(m

L——试件厚度(mm)；

X

a——系数，取3.976×10

b——系数，取0.4355。

取扩散系数为0.7×10

实施例4：

本实施例主要内容同实施例3，其中，D

构型Ⅲ试件RCM试验的有限元软件建模如下图8，获得浓度分布如图9，得氯离子渗透深度为57.5mm，D

实施例5：

本实施例主要内容同实施例3，其中，D

实施例6：

本实施例主要内容同实施例3，其中，D

实施例4、5和6的数值模拟结果与实际值较接近，误差较小，实施例可高效准确的获得新型材料的氯离子扩散系数。