文摘

混凝土的氯离子扩散运输速度包含地面粒状高炉矿渣(矿渣微粉)是数学估计预测任何腐蚀混凝土结构暴露在海水环境的使用寿命。的腐蚀性因素钢埋置,选择替代矿渣微粉的比例,占25 - 50%,总粘合剂。结果,发现矿渣微粉含量的增加导致氯绑定能力的增加,这将导致更低的氯离子扩散率,从而减少chloride-induced腐蚀的风险。时的敏感性参数使用寿命,有效扩散系数显示边际影响可服务性,无论矿渣微粉的内容虽然表面氯化物含量和临界阈值浓度显示更多的关键因素长期氯扩散。随着矿渣微粉替代的增加,使用寿命已变得不那么有影响力的变化和变化的参数。大大,矿渣微粉混凝土在高替代率提高了寿命由于密集的孔隙结构和增强氯绑定的组合能力。

1。介绍

钢铁腐蚀混凝土主要发生钝化膜(即解散。,thin layer of iron oxide) which is formed in the high alkaline pore solution and can protect the steel from corrosion [1]。当一定量的氯离子到达钢埋置、坑钢表面成核伴随着混凝土孔隙溶液pH值下降开始腐蚀过程(2]。然后,腐蚀产物的体积膨胀诱发覆盖混凝土开裂,与钢筋面积的减少,导致结构失效。

减轻腐蚀过程氯运输和腐蚀性,很多的注意力已经被吸引到发展的持久使用补充水泥混凝土如矿渣微粉、硅灰、粉煤灰。其中,矿渣微粉混凝土是耐用材料致密孔隙结构和化学改良抗氯离子渗透。矿渣微粉具有较高的氧化铝含量通常在8 - 18% (3),而OPC使绑定氯离子渗透到混凝土在更高的水平。虽然最初的开发实力普遍较弱,潜在水化的影响促进足够的养护期后材料的耐久性。这尤其主要使用替代率高,约55 - 60%的粘合剂质量(4]。此外,效率降低成本为硅酸盐水泥的使用和代有限公司₂从水泥生产4用矿渣微粉混凝土)也有效。

尽管有这些潜在的可行性在矿渣微粉混凝土,使用可靠性评估为矿渣微粉混凝土长期氯攻击已经很少了。例如,处理在矿渣微粉混凝土氯离子扩散了30年的氯接触显示大幅削减氯离子扩散系数随时间(5]。尽管与时间有关的氯离子扩散系数被认为是,氯离子的结合能力的影响在氯离子扩散的速率并不反映在这一分析。这可能产生不切实际的氯化概要文件,否则会导致浓度依赖的扩散速度如果氯绑定能力被认为是(6- - - - - -8]。

本研究关注在矿渣微粉混凝土氯离子扩散取决于其替代率,氯离子结合能力和氯离子扩散系数的影响。测定氯离子的结合能力是通过弗伦德里希等温线与实验获得的数据来表示的非线性关系扩散过程中氯的阶段。此外,氯离子吸附率被认为是基于传质理论(9),代表非平衡相变氯的状态,抗氯绑定。因此,浓度依赖的氯和氯离子扩散系数是实现的结合能力然后在非稳定状态决心氯扩散预测矿渣微粉混凝土的氯离子扩散。

2。瞬态扩散模型

矿渣微粉混凝土的耐久性评价反对chloride-induced腐蚀、非稳定状态下氯离子扩散模型。对于混凝土的氯阶段,本文认为自由氯,定义为一个流动相在孔隙解决方案中,氯化绑定定义为固定相吸附水合物,和总氯的和自由和氯化物。自由氯只有一个阶段,通过具体媒体扩散下连续吸附过程。混合,混合水泥矿渣微粉,其中替代率是0,25日water-to-binder 0.5和50%总粘合剂质量比(W / B),维护。

2.1。控制方程

在这项研究中,氯离子扩散被认为是通过具体的媒体主要驱动力,假设电力中断与其他离子物种和混凝土孔隙系统中水分梯度缺席。因此,氯运输混凝土浸在盐水环境中可以被描述为一个一维瞬态扩散等 在哪里是自由氯离子浓度(粘结剂质量百分率),时间(秒),是穿透距离(米),表观扩散系数(m²/ s)。表观扩散系数,结合孔隙结构的影响和氯化绑定氯离子渗透的速度,可以写成 在哪里有效扩散系数(m²/ s)和是绑定氯浓度(由粘合剂质量百分比)。导数项, ,(2)对应绑定能力(7)进而导致浓度依赖的扩散系数。

2.2。氯绑定

混凝土中氯化物的分布在扩散过程中不断受到与水合物氯化反应的影响。至于自由和束缚氯化物非线性关系,本研究采用弗伦德里希等温线,描述混凝土中氯化物这样的平衡状态 在哪里和从弗伦德里希等温线和回归参数吗自由氯离子浓度在孔隙之间的接口解决方案和固体表面(粘结剂质量百分比)。考虑浓度依赖的氯离子吸附率,过渡的在相对不稳定的孔隙溶液(即。搅拌溶剂)在相对稳定状态的孔隙溶液直接联系与水合物的表面使用传质理论[描述9]。因此,吸附量的氯化物在单位时间可以表示为 在哪里总传质系数(1 / s),指定传质速度从散装孔隙溶液吸附水合物。当相对较小的接口(例如,),系统中解吸过程。

2.3。数学处理

来预测混凝土的氯离子扩散的存在氯绑定,描述的控制方程(1)修改使用(2)- (4),这样 由于非线性偏微分形式(即。,(5)),显式有限差分法0.001和1.0天,距离和时间的步骤大小,分别被用来解决这个问题。时间和距离的导数项表示为差异和中心差分,分别。然后,这些氯浓度(即和)通过应用质量平衡方程计算(5),这样 在哪里是总氯(由粘合剂质量百分比)。迭代过程进行(5)和(6),直到相对变化的解决方案在一个单位时间增量达到低于10⁻⁶。至于边界条件,外部氯浓度提交0.5米的混凝土表面是氯化钠,旨在模拟海水一起的最初浓度为零的混凝土。因此,它可以实现免费数值解,束缚,和总氯浓度沿混凝土深度随时间。

2.4。输入参数的确定

氯离子扩散分析使用与矿渣微粉混凝土混合不同的置换,氯绑定测试进行的实验工作。制备的样品进行了水泥浆为0.5 W / B的九个级别的氯化钠含量(0.1 -3.0%水泥)最初是喜忧参半。然后,水养护 °C拍摄于56天的所有样品。之后,大约5克的粉从水泥碎片收集贴,与水混合在50°C,紧随其后的是搅拌约30分钟,直到达到平衡状态的解决方案。然后,在溶液中氯离子的浓度,过滤与筛选,通过电位滴定测定硝酸银。因此,自由氯离子浓度测定由这个过程,因此直接绑定氯浓度被减去免费获得一个从最初的总氯含量。因此,它是可能获得绑定等温线常数,和通过使用弗伦德里希模型回归分析(3)。至于质量传递系数,,它是由7.58×10⁻⁷年代⁻¹由于边际差异的情况下观察到的值从相关分析(内10,11]。

确定表面的氯化物含量、汞进行入侵porosimetry灰浆样品与OPC、矿渣微粉25%和50%。测试的样品是通过调整混合比例为0.5 W / B和2.12 sand-to-binder比率。水浸后56天,碎片从获得的样本和干炉撤离大部分材料内部孔隙溶液。恒定接触角(130°)汞入侵和挤压设备的压力逐渐增加到最大压力(228 MPa)。测试后,总汞对于给定样本的入侵。然后,使用单位粘合剂的价值观和信息质量,可以获得水孔隙度,孔隙体积的定义解决方案/粘结剂的质量。这些参数包括文学的矿渣微粉混凝土有效扩散系数的值(12]比得上混合物被认为是在这项研究中所给定的表1。矿渣微粉含量增加,有效扩散系数的值减少由于密集的孔隙结构,而水的值填充孔隙度似乎不一致的替代率。这可能是由于低密度矿渣微粉砂浆在同一单位质量的粘合剂应用与OPC砂浆相比。此外,潜伏在矿渣微粉水化产生较低的孔隙连通性网络有效扩散路径(13),哪个更主要的较高的矿渣微粉替代。

3所示。结果和讨论

3.1。氯绑定对扩散行为的影响

矿渣微粉混凝土有较高的C₃一个内容,增加绑定能力(19]。确定绑定能力与矿渣微粉替代比率,自由和必然的关系使用弗伦德里希关系氯化物是通过实验得到的。如图1,弗伦德里希等温线数据的合理安装所有浓度的范围。随着置换率的增加,相对数量的免费绑定氯在给定一个是增加了。因此,50%矿渣微粉表示绑定能力最高,其次是25%矿渣微粉而OPC显示最低的一个。然而,在免费的氯化物含量约0.8%(即外部的解决方案。,0.5 M of chloride ion), the crossover in binding capacity between OPC and 25% GGBS was observed. To evaluate the effect of binding capacity on chloride concentration at surface, external reservoirs for chloride source up to 1.0 M were used to derive the corresponding free, bound, and total chlorides. As shown in Figure2,总氯化物的浓度逐渐增加外部解决方案而自由氯化物显示外部浓度成比例的增加。尽管自由氯低,50%矿渣微粉总氯含量最高,无论外部浓度。OPC,最低总氯浓度范围。这表明绑定能力将是一个表面的氯化物含量更多的确定性因素而不是开孔率。因此,氯离子扩散浓度梯度增强可能是影响表面的氯化物含量越高氯绑定。

评估的影响氯绑定在扩散方面,10到50年的氯离子渗透模拟,给出图3。看到,总氯剖面的形状OPC不同矿渣微粉25%和50%之间,而自由氯是相似的,无论时间。高结合容量较低浓度多占主导地位的矿渣微粉,正如图所示1。这将导致大幅减少总氯附近最大穿透深度;参见图3 (b)和3 (c)。因此,相对甚至氯分布可以实现OPC由于较小的变化与氯离子浓度的结合能力,如图3(一个)。表面的氯化物含量占1.86,2.23,和2.75 OPC粘合剂质量的比例,分别为25%和50%的矿渣微粉。这些浓度与时间常数的假设瞬时氯化物盐溶液之间的平衡条件和混凝土表面。这意味着在氯化长期接触,突然增加氯积累在钢深度可以实施的矿渣微粉由于相对大量的总氯提供从表面的氯化物含量较高。

3.2。氯离子扩散速率

氯分布在混凝土连续曝光,100年计算确定矿渣微粉混凝土的氯离子扩散,如在图4。值在每个轮廓的颜色对应于相同浓度范围和虚线表示的最大穿透深度,定义为位置浓度开始低于10⁻³%的粘合剂质量。氯浓度沿混凝土深度依赖于曝光时间,表明最初的渗透率高,这里定义为最大穿透深度比相应的曝光时间,其次是渐进的趋势。增加的速度最大穿透深度超过100年占大约0.81,0.64,和0.45毫米/年OPC,分别为25%和50%的矿渣微粉。OPC,氯离子渗透的速度是更高的曝光时间,导致应力沿深度线性分布的浓度,见图4(一)。这可能导致氯的氯离子扩散系数较高绑定不那么重要,然后提高氯离子扩散的速率。随着矿渣微粉替代率增加,氯离子渗透的速度明显下降,尽管在媒体的表面浓度就越高。特别是,矿渣微粉50%,所有混凝土的氯离子浓度低于50毫米深度超过100年小于0.4%。这意味着混凝土由高部分矿渣微粉会强烈建议应用氯拉登环境是否边际绑定氯释放的可能性。这可能会引起腐蚀的风险如果pH值降低碳化或酸攻击是陪同参与相同的环境(3]。

评估特征浓度依赖氯入口,绑定能力以及穿透距离计算浓度的概要文件。如图5,看到附近收敛的绑定能力开始以来的最大穿透深度氯浓度的变化对该地区是微不足道的。同时,增加替代率和曝光时间导致增加氯沿着穿透深度的结合能力。显示在图1能力,这与浓度相关的绑定,绑定氯的相对数量的减少和增加免费的氯化物含量。因此,大部分低氯氯化内容增加曝光时间,同时实施深度内绑定能力就越高。这结果导致减少氯离子渗透的速度随着时间的推移,在(2)。也非稳定状态条件下,氯离子扩散的速率在很大程度上是依赖于氯绑定成为近稳态氯扩散。在长时间的接触之后,氯化物的浓度平衡条件在混凝土变得最好达到外部氯源附近,见50年在图的情况下5同时,扩散通量的变化具体深度逐渐减少。因此,当时的有效扩散系数成为氯运输更关键的因素。

3.3。氯离子扩散的敏感性分析

评估可服务性的矿渣微粉混凝土chloride-induced腐蚀、氯阈值水平(CTL)从文献数据收集2,14- - - - - -18]。如表所示2,没有观察到明显的关系CTL矿渣微粉替代率。不规则的数据可能归因于不同的组合条件和养护制度不同方法测定的CTL。因此,为了实用的目的,假设CTL被定义为总额的0.79%氯通过粘结剂在本研究质量;从平均获得的值的所有数据在文献综述。

敏感性分析在混合使用寿命进行了氯化率参数值的传输(和)和细胞毒性t淋巴细胞,如图6和7。定义的使用寿命是氯曝光时间的总氯含量开始超过CTL在钢铁深度,认为是25毫米的最小覆盖深度根据BS 8110 (20.]。参数的相对变化对OPC及其影响任何腐蚀寿命的计算,给出图使用寿命6。很明显减少和增加细胞毒性t淋巴细胞是高度有益的材料而影响在服务能力相对较低。它可能出现的变化范围,通常是在一个数量级的范围取决于混凝土混合比例包括粘结剂类型和一个免费的水粘合剂比(21]。因此原始值的40%的保证金可能有一个边际影响使用寿命。然而,对腐蚀的发生是至关重要的,因为它强加的氯化物在混凝土表面,随后领导的驱动力氯运输混凝土的扩散系数。此外,CTL更有前途的安全使用寿命。混凝土暴露在盐水环境如海水,最大的氯浓度在水泥混凝土重量不能超过2.0%,进而为自由氯离子占0.8 - -1.0%。因此,在钢的深度,氯的浓度会或多或少0.5 - -1.0%的范围。这意味着一个利润的CTL对腐蚀性或抑制会更敏感。实质上,增加细胞毒性t淋巴细胞减少必须同时提高腐蚀起始时间,而非氯运输,边际范围内约50%的变异。

使用寿命的依赖参数的灵敏度值计算混合料配合比设计的粘结剂类型,见图7。的敏感性参数,使用寿命是主要在OPC和变得越来越小和越来越多的替代率,可能由于更高的结合能力比那些影响氯扩散参数。因此,化学改善材料推断使用水泥和氯化高的氧化铝含量增加绑定能力,表面处理,以减少(22),而使用缓蚀剂来增加细胞毒性t淋巴细胞(23)建议加强抵抗chloride-induced腐蚀。事实上,替代矿渣微粉在混凝土或者实现这些障碍影响water-to-binder比率较低;绑定增加容量和密度孔隙结构将保持钢埋置在长期被动。然而,矿渣微粉混凝土的抗chloride-induced腐蚀可能严重降低,OPC相比的。这是实验研究使用65%矿渣微粉的缓冲能力低是测量24),进而腐蚀速率可能会加速孔隙溶液的pH值降低了附近的钢铁。这也可能导致的风险绑定氯参与钢腐蚀过程。然而,正如图所示4、氯运输使用矿渣微粉替代率高电阻率总是占主导地位在所有时期的曝光,而OPC。这也是图所示7相对变异的使用寿命,减少细胞毒性t淋巴细胞用矿渣微粉是不那么重要。因此,尽管较低的酸中和能力对氯离子在钢铁表面,具体由高部分矿渣微粉水泥相当适合应用在海洋结构。

4所示。结论

本研究的目的是评估长期在混凝土氯离子扩散考虑矿渣微粉替代率。作为氯扩散的一个关键因素,一个非线性等温线氯绑定,依赖于混合比例,是用来描述氯离子扩散行为随着时间的推移。从结果,获得的结论如下。(1)矿渣微粉替代导致比例增加氯绑定能力进而提高表面氯离子浓度的氯源。此外,氯的形状前被证明在很大程度上影响附近的浓度依赖绑定等温线,小浓度的最大穿透深度对总氯含量急剧下降。(2)模拟了100年接触盐水的显示,氯离子渗透的速度是主要的有效扩散系数和氯绑定能力。因此,OPC混凝土氯化显示率最高的传输扩散系数而言,相比矿渣微粉的曝光时间。氯分布的绑定能力穿透深度,与时间有关的氯离子扩散速率是观察到部分矿渣微粉含量高显示大的表观扩散系数降低。(3)灵敏度分析的参数估计显示,使用寿命相对较低的变化观察使用寿命的有效扩散系数,而表面氯化物含量和CTL氯扩散更关键的因素。此外,增加的部分矿渣微粉显示降低chloride-induced腐蚀的风险变化的参数。这意味着由于更高的结合能力和更低的氯离子扩散系数,矿渣微粉混凝土在氯拉登可能是有益的环境,尽管低电阻率在钢铁表面腐蚀。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了技术进步的研究项目由土地、基础设施和运输的朝鲜政府(批准15 ctap-c097546-01)。