基于有限元的氯离子扩散预测方法研究

基于有限元的氯离子扩散预测方法研究

中国拥有广阔的水域和悠久的海岸线，大型建设项目集中在沿海地区。影响沿海地区混凝土结构耐久性的主要原因是混凝土中的钢筋腐蚀，氯离子侵蚀是钢筋腐蚀的直接原因。在中国目前使用的“雪雪剂”中，氯盐仍然是主要成分，在国际上被称为冰盐。自然环境和人为环境的影响，中国面临的氯盐施工对混凝土结构的耐久性影响非常复杂。尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂,但扩散仍然被认为是一个主要的传输方式之一.扩散过程一般引用Fick第二定律来进行预测,可以方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来.Fick第二定律描述的是一种稳态扩散过程,但实际上,氯离子在混凝土中的扩散系数并不是一成不变的,扩散系数是一个时间的函数,龄期较长的混凝土结构的氯离子扩散系数较小,尤其是在开始的1～3a内扩散系数的降低尤为明显.因此,在实际混凝土氯离子扩散分析中,必须考虑表面氯离子浓度Cs和氯离子扩散系数D(Cl)随时间变化的因素.在这种情况下,很难从Fick扩散模型中得到反映不同时刻、不同深度处的氯离子含量的解析解.采用数值模拟是一种好的解决方法.1混凝土试样数值模拟COMSOLMultiphysics是对基于偏微分方程的多物理场模型进行建模和模拟计算的交互式开发环境系统.扩散(diffusion)模块是COMSOLv3.5中的子模块,可以进行稳态和瞬态两种情况的数值分析.(1)建立模型.模拟氯离子在混凝土试件中的一维扩散行为,考虑对称关系,所建几何模型尺寸为100mm×100mm.(2)定义物理参数.采用单扩散中的瞬态情形进行数值分析,它的偏微分方程可以表示为:δts∂C∂t+∇⋅(−D∇C)=R,式中,δts为时间换算系数;C为浓度,这里指混凝土内部氯离子浓度;D为扩散系数,这里指Cl-扩散系数D(Cl);R为反作用率,这里取0.C(t0)=0,D=D0.(3)定义边界条件.C(0,t)=Cs,C(∞,t)=C0.(4)划分有限网格.自动生成网格,再对其进行加密.(5)求解.2混凝土氯离子扩散模拟文献进行了混凝土构件氯盐侵蚀试验,试件尺寸为100mm×100mm×400mm,在FQY25型盐雾箱中用5%的NaCl溶液进行60d的喷雾.将文献根据氯盐侵蚀试验结果求得的混凝土表面Cl-浓度Cs以及Cl-扩散系数D(Cl)作为已知量,并将它们视为常量,用COMSOL有限元数值分析软件来对试验结果进行模拟,验证用COMSOL中的“扩散”子模块进行Cl-扩散行为分析的可能性.试件氯离子侵蚀试验结果的COMSOL模拟的结果见表1.对比试验结果与模拟结果,从表1中可以看出,COMSOL数值模拟结果与试验值相比十分接近,模拟的精确度较高,误差基本上控制在5%以内,说明使用COMSOL有限元软件进行混凝土氯离子扩散预测是可行的.3氯盐侵蚀环境下的cl-扩散值的模拟3.1混凝土面元细度分析氯离子扩散系数D(Cl)和混凝土表面Cl-浓度Cs是影响氯盐侵蚀环境下混凝土结构耐久性的两个主要因素.对于某一具体环境下的混凝土结构,氯离子扩散系数D(Cl)除了受到环境温湿度、混凝土劣化效应以及应力水平影响外,更重要的是受到混凝土时间效应的影响.受时间效应影响的依赖性关系式为:D(Cl,t)=D(Cl,t0)⋅(t0t)m,(1)m为时间依赖性指数;t0为参考时间;t为侵蚀持续时间.对于t0时刻的扩散系数D(Cl,t0),采用美国混凝土学会365委员会建议的各种类型混凝土28d龄期的Cl-扩散系数:D(Cl,28)=10(-12.06+2.4W/B)(m2/s).(2)假设混凝土侵蚀环境下的混凝土水胶比W/B为0.40,计算出该混凝土28d的Cl-扩散系数D(Cl,28)为7.943×10-12m2/s;水胶比为0.55时,D(Cl,28)为18.197×10-12m2/s.当时间依赖性指数m为0.6时,两种情况下任一时刻t的氯离子扩散系数D(Cl,t)分别如式(3),(4)所示.D(Cl,t)=1.7018×10-12·t-0.6(m2/s)(W/B=0.40,m=0.6),(3)D(Cl,t)=3.8987×10-12·t-0.6(m2/s)(W/B=0.55,m=0.6).(4)除冰盐环境下的混凝土表面氯离子浓度Cs值,取决于使用除冰盐的频度、除冰盐的类别以及用量,可以假定为某一定值;而近海和海洋环境的Cs值,应该区分潮汐浪溅区、海上盐雾区等情况,这些情况一般不符合表面氯离子浓度恒定的条件,而是其随着时间的增长逐渐累积到最终值.如美国混凝土协会365委员会研究认为:近海和海洋环境中不同情况下的Cs的增长速度和最终值见表2.分别针对北方除冰盐环境以及海上盐雾区进行分析,除冰盐环境下的氯离子浓度Cs取最大值0.85%;海上盐雾区的混凝土表面氯离子浓度Cs的取值方法可以表示为:{Cs=(0.10×t)%t≤10Cs=1.0%t＞10‚(5)式中,t为使用年限(a).3.2散分布横截面浓度对除冰盐情况下的氯离子扩散进行模拟,按以上分析,除冰盐情况下混凝土表面Cl-浓度Cs取为0.85%,氯离子扩散系数D(Cl)按式(3)和(4)取值(混凝土水胶比分别取0.40和0.55,时间依赖性指数m均取0.6).其中每隔1a两种不同水胶比混凝土内不同深度处的氯离子扩散分布横截面浓度如图1所示.从图1可以看出,混凝土内的Cl-含量随着龄期的增加其增长速度逐渐减慢,这主要是由于D(Cl)受时间效应的影响,随时间的增长而降低的缘故;另外,水胶比为0.55的混凝土扩散比水胶比为0.40的混凝土扩散要快得多,可见水胶比对氯离子的扩散影响很大,水胶比越大,扩散速度越快.将上述模拟结果与假定时间依赖性指数m=0(即D(Cl)恒定,取参考时间为1a)时的情况进行对比分析,结果如图2所示.图2中,情况1为考虑时间依赖指数m对扩散系数影响时的模拟结果,情况2为不考虑时间依赖指数m对扩散系数影响时的模拟结果,其龄期都分别为1,5和10a.由图2可以看出,随着混凝土使用年限的增长,是否考虑时间效应因素对Cl-扩散浓度分布的影响将逐渐加大,同时,m=0.6时的扩散比m=0时的扩散速度要慢,说明混凝土的水化龄期对氯盐侵蚀情况下侵蚀结果有着很大的影响,在分析时对时间依赖指数m值的选取十分重要.3.3混凝土的氯离子扩散模拟对于处在海上盐雾区的混凝土结构(如桥梁等),混凝土表面的氯离子浓度Cs如式5所示,氯离子扩散系数D(Cl)分别按式3和式6取值(混凝土水胶比均为0.40,而时间依赖指数m分别取0.60和0.30).D(Cl,t)=3.6766×10-12·t-0.3(m2/s)(W/B=0.40,m=0.3).(6)对盐雾区的Cl-扩散行为进行模拟,每隔5a混凝土内不同深度处的氯离子扩散分布横截面浓度如图3所示.将上述模拟结果与假定时间依赖性指数m=0(即D(Cl)恒定,取参考时间为1a)时进行对比分析,结果如图4所示.从图3中可能以看出,水胶比相同时,不同m值对氯盐侵蚀下混凝土内部氯离子扩散结果差异很大;图4中,情况1为考虑时间依赖性指数m对扩散系数影响时的模拟结果,情况2为相同龄期的不考虑时间依赖指数m对扩散系数影响时的结果,龄期都分别为5,10和30a.从图4中看出随着混凝土使用年限的增长,是否考虑时间效应因素对Cl-扩散浓度分布的影响将逐渐加大,有时甚至是几倍的关系,说明混凝土时间依赖指数m对氯盐侵蚀情况下的侵蚀结果和结构耐久性有着十分重要的影响.4混凝土氯离子扩散数值分析(1)在除冰盐及近海和海洋环境中,Cl-侵入到混凝土内部是一个极为复杂的过程,当考虑到混凝土氯离子扩散系数以及表面氯离子浓度两者随时间变化这一因素时,从Fick第二扩散定律中便很难直接得到关于Cl-扩散过程的解析解.通过有限元软件对氯离子扩散过程进行数值模拟分析是一种可行的方法,其中COMSOL有限元中的“扩散”子模块便是数值分析方法之一.(2)从混凝土试件氯盐侵蚀试验结果的COMSOL数值模拟中可以看出,有限元数值模拟的结果与试验结果十分接近,模拟的精度很高,误差较小,验证了用COMSOL进