[发明专利]硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法

权利要求书

1.一种硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于菲克第二定律及质量守恒定律，建立硫酸盐在水泥基材料中的传输反应模型，并根据模型得到扩散模型的时空分布表达式；

(2)建立球型骨料的传输曲折度模型，根据曲折度模型得到硫酸根离子在混凝土中的扩散系数，并确定硫酸根离子在混凝土试件内的扩散的边界条件；

(3)将步骤(2)的得到的硫酸根离子在混凝土中的扩散系数和边界条件输入到步骤(1)建立的模型中，通过交替隐式差分的数值计算得到不同侵蚀时间下的硫酸根离子在试件中的浓度空间分布图；

(4)根据不同侵蚀时间下的硫酸根离子在试件中的浓度空间分布图，比较不同时空分布下试件中硫酸根离子的浓度与外部环境的溶液中硫酸根离子的浓度，开裂区混凝土孔溶液中硫酸根离子浓度等于外部环境的溶液浓度时对应的时间即为混凝土服役寿命。

2.根据权利要求1所述的硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中硫酸盐在水泥基材料中的传输反应模型表达式如下：

式中，为混凝土内硫酸根离子浓度；为混凝土内化学反应消耗的硫酸根离子浓度；为饱和混凝土中硫酸根离子的扩散系数；

将上述表达式进行变换得到扩散模型的时空分布表达式如下：

式中，t表示时间，r表示传输深度；κ_v1为反应速率系数，取值为3.05×10^-8；C_Al表示单硫型硫铝酸钙溶解处的铝离子(Al³⁺)浓度，取值为21.25mol/m³。

3.根据权利要求2所述的硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，硫酸根离子在腐蚀混凝土试件内的扩散行为是移动边界问题，其边界条件可表示为：

式中，为混凝土内硫酸根离子浓度；为外界环境中硫酸盐溶液浓度；Γ^M为混凝土试件的移动边界；Ω^M为混凝土试件的横截面区域；表示孔隙率。

4.根据权利要求3所述的硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中曲折度模型的表达式如下：

式中，表示平均骨料粒径；表示平均骨料弧长；表示平均骨料间距；S_V表示相对比表面积；f_sa表示体积分数；τ_cp表示水泥净浆的体积分数；

根据上述曲折度模型表达式得到硫酸根离子在混凝土中的扩散系数，具体如下：

式中，为混凝土试件的孔隙率；τ^M为试件的几何曲折度；D_c0为溶液中硫酸盐离子的扩散系数。

5.根据权利要求3所述的硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中将边界条件和代入步骤(1)的扩散模型的时空分布表达式，采用三层隐式格式的有限差分法数值求解，求解时引入过渡时间步，将时间区间划分为两个区间，通过两步迭代求解获得离散数值解。