[发明专利]硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，基于菲克第二定律以及质量守恒定律，采用交替隐式有限差分法对硫酸盐传输本构方程进行求解，满足无条件收敛条件，并使用MATLAB软件进行编程并计算，实现了对混凝土中硫酸根离子侵蚀的传输过程的仿真模拟以及寿命预测。本发明计算精准，稳定性高，效率高，基于Fick定律和化学反应动力学理论，实现了边界移动的混凝土结构内硫酸根离子的扩散‑反应模型及侵蚀产物生成量的计算方法。

技术领域

本发明涉及混凝土寿命预测，具体涉及一种硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法。

背景技术

长期处于硫酸盐环境中的混凝土结构，同时遭受着外部荷载产生的力学损伤以及服役环境引起的化学侵蚀。其中，环境中的硫酸根离子通过扩散作用进入混凝土内，与水泥水化产物发生反应，生成石膏、钙矾石等膨胀性的侵蚀产物。硫酸盐侵蚀混凝土产生的化学损伤，不仅会造成混凝土材料强度、弹性模量和极限应变等力学性能的劣化，还会导致混凝土结构产生体积膨胀、开裂剥落等宏观破坏。因此，为定量表征硫酸盐侵蚀引起的混凝土材料损伤破坏程度，建立描述混凝土内硫酸根离子扩散反应行为的理论模型具有重要意义。

目前，国内外学者开展了大量硫酸盐溶液浸泡混凝土试件的腐蚀实验，研究混凝土内硫酸根离子的扩散行为，通过建立硫酸根反应传输模型，来对混凝土进行收寿命预测。然而，这些寿命预测模型并未涉及微观尺度上硫酸盐侵蚀产物与水泥浆体之间复杂的交互作用，也不能描述侵蚀产物生长引起的微孔附近水泥浆体内应力集中及微结构损伤程度，更无法建立混凝土材料微观损伤程度与其宏观力学性能之间的关系，预测方法结果不准确，无法量化分析。

发明内容

发明目的：本发明所述的硫酸盐环境侵蚀下结构混凝土寿命预测方法，解决现有预测方法结果不准确，无法量化分析的问题。

技术方案：本发明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，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。

其中，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。

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：