阅读说明：本技术 混凝土细观氯离子扩散系数预测方法 (Concrete mesoscopic chloride ion diffusion coefficient prediction method ) 是由 龙武剑 冯甘霖 刘铁军 李龙元 叶涛华 郉锋 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法,包括获取混凝土中孔结构信息、孔隙率以及孔径分布；通过微观成像技术结合孔隙率以及孔径分布确定混凝土中骨料体积分布,构建所述混凝土的二维细观结构；在所述二维细观结构的基础上确定混凝土的孔隙表面离子浓度及分布；根据质量守恒定律、离子浓度、离子流量、离子表观扩散系数以及离子带电量等,构建多离子传输模型；根据定律所述多离子传输模型计算混凝土中氯离子传输浓度分布；根据氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数。本发明在预测混凝土氯离子扩散系数时,考虑了混凝土微、细观结构以及表面离子对氯离子扩散的影响,较现有的电加速测试方法更准确、也更具科学性。(The invention discloses a method for predicting a mesoscopic chloride ion diffusion coefficient of concrete, which comprises the steps of obtaining the information of a pore structure, the porosity and the pore size distribution of the concrete; determining the volume distribution of aggregates in the concrete by combining a microscopic imaging technology with porosity and pore size distribution, and constructing a two-dimensional microscopic structure of the concrete; determining the concentration and distribution of ions on the surface of the pores of the concrete on the basis of the two-dimensional microscopic structure; constructing a multi-ion transmission model according to a mass conservation law, ion concentration, ion flow, an ion apparent diffusion coefficient, ion charge and the like; calculating the transmission concentration distribution of chloride ions in the concrete according to the law and the multi-ion transmission model; and calculating the diffusion coefficient of the chloride ions in the concrete according to the transmission concentration distribution of the chloride ions. The method considers the influence of micro and microscopic structures of the concrete and surface ions on the diffusion of the chloride ions when predicting the diffusion coefficient of the chloride ions of the concrete, and is more accurate and scientific compared with the conventional electric acceleration test method.)

混凝土细观氯离子扩散系数预测方法

技术领域

本发明属于水泥基复合材料领域，具体涉及一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法。

背景技术

氯离子引发的钢筋锈蚀是绝大多数情况下钢筋混凝土结构失效恶化的主要原因，尤其是与氯化物接触频繁的情况下(如使用除冰盐或海水环境)。因此，从使用寿命和维护工作的角度来看，设计拥有足够厚度并且防渗透性能良好的混凝土保护层(覆盖钢筋的混凝土层)是非常重要的。量化混凝土中的氯离子侵入速度最重要的指标就是氯离子扩散系数。有各种实验室测定方法用于确定氯离子扩散/迁移系数，过去主要使用自然扩散实验方法，使混凝土样品长时间暴露在氯化物溶液中，氯离子在浓度梯度作用下渗透样品，通过Fick扩散理论计算扩散系数。

传统的快速氯离子迁移测试基于单离子Nernst-Planck方程预测，理论模型过于简化，试验后测量的氯离子扩散浓度曲线与理论模型偏差较大。主要原因有两大方面，一方面是混凝土材料为多相材料，拥有复杂的孔隙结构和孔隙分布，并随着持续水化反应而变化，氯离子在混凝土中的传输过程会因孔隙连通度而受到影响，同时会有一部分氯离子在传输过程中与水泥水化产物发生反应从而被吸附。另一方面，混凝土孔隙溶液中存在很多离子，这些离子之间因为电场力会产生相互影响，理论模型不能仅仅考虑氯离子单一传输，同时水泥水化产物因物理化学吸附作用会形成表面离子，这些离子同样会对孔隙溶液中传输的氯离子产生影响。

现今较为常用的混凝土氯离子扩散系数预测方法包括经验方法和理论计算法。但是现有的数值方法考虑输入参数仍过于简化，无法准确预测实验结果。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法，能够准确预测混凝土氯离子扩散系数时。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法，所述方法包括步骤：

获取混凝土中微观结构的孔结构信息；

根据所述孔结构信息测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布；

通过微观成像技术结合孔隙率以及孔径分布确定所述混凝土中骨料体积分布，并基于骨料随机分布模型构建所述混凝土的二维细观结构；

根据所述二维细观结构确定所述混凝土的表面离子浓度；根据离子浓度、离子流量、离子表观扩散系数以及离子带电量，构建基于Nernst-Planck/Poisson方程组的多离子传输模型；

根据质量守恒定律，以及所述多离子传输模型计算混凝土中氯离子传输浓度分布；

根据所述氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数。

进一步地，所述根据所述孔结构信息测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布的步骤，包括：

根据所述微观结构的孔结构信息，采用压汞法测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布。

进一步地，所述通过微观成像技术确定所述混凝土中骨料体积分布的步骤，包括：

采用扫描电镜技术确定所述混凝土中骨料体积分布。

进一步地，所述多离子传输模型为：

公式(2)

其中J_k为离子流量，D_k为离子表观扩散系数，C_k为离子浓度，Z_k为离子带电量，F＝96480C/mol，为法拉第常数，Φ为局部电势，R＝8.314J/(mol·K)为理想气体常数，T＝298K为绝对温度，下标k代表水泥浆体第k种孔隙溶液离子,N为模型中的孔隙溶液离子数量。

进一步地，所述局部电势Φ由孔隙溶液中所有离子以及水化产物表面离子确定，其关系为：

公式(2)

其中ε_o＝8.854×10^-12C/(V·m)为真空中介电常数，ε_r＝78.3为在298K温度下水的相对介电常数，Z_s为水化产物表面离子带电量，C_s为水化产物表面离子浓度。

进一步地，所述根据质量守恒定律，得到孔隙溶液中各离子浓度满足：

公式(3)

其中t为时间。

进一步地，根据所述氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数的步骤包括：

计算平均扩散通量J_Cl ^-：

公式(4)

其中L为混凝土试快厚度，x为模型中沿氯离子传输的计算方向，y为模型中垂直于氯离子传输的计算方向；

根据平均扩散通量J_Cl ^-计算氯离子扩散系数D_eff：

公式(5)

其中C_b为边界氯离子浓度。

本发明揭示了一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法，包括获取混凝土中微观结构的孔结构信息；根据所述孔结构信息测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布；通过微观成像技术结合孔隙率以及孔径分布确定所述混凝土中骨料体积分布，并基于骨料随机分布模型构建所述混凝土的二维细观结构；在所述二维细观结构的基础上确定所述混凝土的孔隙表面离子浓度及分布；根据质量守恒定律、离子浓度、离子流量、离子表观扩散系数以及离子带电量等，构建基于Nernst-Planck/Poisson方程组的多离子传输模型；根据定律所述多离子传输模型计算混凝土中氯离子传输浓度分布；根据所述氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数。本发明在预测混凝土氯离子扩散系数时，考虑了混凝土微、细观结构以及表面离子对氯离子扩散的影响，较现有的电加速测试方法更准确、也更具科学性。

附图说明

图1为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的流程示意图；

图2为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法一实施例中基于二维细观模型模拟快速氯离子实验示意图；

图3为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法一实施例中网格划分示意图；

图4为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的一实施例中t＝1800s时，氯离子浓度分布示意图；

图5为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的一实施例中t＝3600s时，氯离子浓度分布示意图；

图6为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的一实施例中t＝5400s时，氯离子浓度分布示意图；

图7为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的一实施例中t＝7200s时，氯离子浓度分布示意图；

图8为本发明混凝土细观氯离子扩散系数预测方法的一实施例中t＝7200s时，氯离子流量示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、”第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而主，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图8(图8中箭头方向代表氯离子传输方向，箭头长短代表相对流量值大小)，本发明实施例提出一种混凝土细观氯离子扩散系数预测方法，所述方法包括步骤：

S10、获取混凝土中微观结构的孔结构信息；

S20、根据所述孔结构信息测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布；

S30、通过微观成像技术结合孔隙率以及孔径分布确定所述混凝土中骨料体积分布，并基于骨料随机分布模型构建所述混凝土的二维细观结构；

S40、根据所述二维细观结构确定所述混凝土的表面离子浓度；根据离子浓度、离子流量、离子表观扩散系数以及离子带电量，构建基于Nernst-Planck/Poisson方程组的多离子传输模型；

S50、根据质量守恒定律，以及所述多离子传输模型计算混凝土中氯离子传输浓度分布；

S60、根据所述氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数。

在本实施例中，混凝土氯离子扩散系统是衡量氯离子在混凝土中扩散的重要参数，是决定混凝土结构使用寿命的一个关键参数，在混凝土结构耐久性评估和设计中起至关重要的作用。本发明在计算混凝土中氯离子扩散系数时，考虑了孔隙的二维细观结构、水泥浆体的表面离子以及多离子孔隙溶液对氯离子扩散的影响，相比传统的氯离子扩散系数计算方法，能更准确测定氯离子扩散系数。

在一实施例中，所述测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布的步骤，包括：

根据所述微观结构的孔结构信息，采用压汞法测定所述混凝土中水泥浆体的孔隙率以及孔径分布。

在本实施例中，上述压汞法指的是依靠外加压力使汞克服表面张力进入材料气孔来测定材料的气孔孔径和气孔分布。外加压力增大，可使汞进入更小的气孔，进入材料气孔的汞量也就愈多。根据汞在气孔中的表面张力与外加压力平衡的原理，可以得到材料孔径的计算方法。可选的，确定混凝土的孔隙率和孔径分布具体实现方式，也可以是基于上述混凝土的配比，模拟出该配比下的混凝土的三维微观结构，通过上述三维微观结构，确定混凝土的孔隙率和孔径分布。

在一实施例中，所述通过微观成像技术确定所述混凝土中骨料体积分布的步骤，包括：

采用扫描电镜技术确定所述混凝土中骨料体积分布。

在本实施例中，采用扫描电镜技术确定混凝土中骨料体积分布，骨料体积分布主要包括骨料面积百分数、骨料形态系统、最大骨料直径和骨料级配；可选的，还可以通过电子探针、电子能谱仪等确定骨料体积分布。

在一实施例中，所述多离子传输模型为：

公式(3)

其中J_k为离子流量，D_k为离子表观扩散系数，C_k为离子浓度，Z_k为离子带电量，F＝96480C/mol为法拉第常数，Φ为局部电势，R＝8.314J/(mol·K)为理想气体常数，T＝298K为绝对温度，下标k代表第k种孔隙溶液离子,N为模型中所考虑的孔隙溶液离子数量。

在一实施例中，所述局部电势Φ由孔隙溶液中所有离子以及水化产物表面离子确定，其关系为：

公式(2)

其中ε_o＝8.854×10^-12C/(V·m)为真空中介电常数，ε_r＝78.3为在298K温度下水的相对介电常数，Z_s为水化产物表面离子带电量，C_s为水化产物表面离子浓度。

在一实施例中，所述根据质量守恒定律，得到各离子浓度满足：

公式(3)

其中t为时间。

在一个实施例中，根据所述氯离子传输浓度分布计算混凝土中氯离子扩散系数的步骤包括：

计算平均扩散通量J_Cl ^-：

公式(4)

其中L为混凝土试快厚度，x为模型中沿氯离子传输的计算方向，y为模型中垂直于氯离子传输的计算方向；

根据平均扩散通量J_Cl ^-计算氯离子扩散系数D_eff：

公式(5)

其中C_b为边界氯离子浓度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。