[發明專利]硫酸鹽環境侵蝕下結構混凝土壽命預測方法

在審

• 申請號: 202110647467.5
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113486547A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 蔣金洋;陳澤;曹彤寧;王赟程
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q10/04;G06F119/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 趙淑芳

本發明公開了一種硫酸鹽環境侵蝕下結構混凝土壽命預測方法，基于菲克第二定律以及質量守恒定律，采用交替隱式有限差分法對硫酸鹽傳輸本構方程進行求解，滿足無條件收斂條件，并使用MATLAB軟件進行編程并計算，實現了對混凝土中硫酸根離子侵蝕的傳輸過程的仿真模擬以及壽命預測。本發明計算精準，穩定性高，效率高，基于Fick定律和化學反應動力學理論，實現了邊界移動的混凝土結構內硫酸根離子的擴散?反應模型及侵蝕產物生成量的計算方法。

技術領域

本發明涉及混凝土壽命預測，具體涉及一種硫酸鹽環境侵蝕下結構混凝土壽命預測方法。

背景技術

長期處于硫酸鹽環境中的混凝土結構，同時遭受著外部荷載產生的力學損傷以及服役環境引起的化學侵蝕。其中，環境中的硫酸根離子通過擴散作用進入混凝土內，與水泥水化產物發生反應，生成石膏、鈣礬石等膨脹性的侵蝕產物。硫酸鹽侵蝕混凝土產生的化學損傷，不僅會造成混凝土材料強度、彈性模量和極限應變等力學性能的劣化，還會導致混凝土結構產生體積膨脹、開裂剝落等宏觀破壞。因此，為定量表征硫酸鹽侵蝕引起的混凝土材料損傷破壞程度，建立描述混凝土內硫酸根離子擴散反應行為的理論模型具有重要意義。

目前，國內外學者開展了大量硫酸鹽溶液浸泡混凝土試件的腐蝕實驗，研究混凝土內硫酸根離子的擴散行為，通過建立硫酸根反應傳輸模型，來對混凝土進行收壽命預測。然而，這些壽命預測模型并未涉及微觀尺度上硫酸鹽侵蝕產物與水泥漿體之間復雜的交互作用，也不能描述侵蝕產物生長引起的微孔附近水泥漿體內應力集中及微結構損傷程度，更無法建立混凝土材料微觀損傷程度與其宏觀力學性能之間的關系，預測方法結果不準確，無法量化分析。

發明內容

發明目的：本發明所述的硫酸鹽環境侵蝕下結構混凝土壽命預測方法，解決現有預測方法結果不準確，無法量化分析的問題。

技術方案：本發明所述的硫酸鹽環境侵蝕下結構混凝土壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)基于菲克第二定律及質量守恒定律，建立硫酸鹽在水泥基材料中的傳輸反應模型，并根據模型得到擴散模型的時空分布表達式；

(2)建立球型骨料的傳輸曲折度模型，根據曲折度模型得到硫酸根離子在混凝土中的擴散系數，并確定硫酸根離子在混凝土試件內的擴散的邊界條件；

(3)將步驟(2)的得到的硫酸根離子在混凝土中的擴散系數和邊界條件輸入到步驟(1)建立的模型中，通過交替隱式差分的數值計算得到不同侵蝕時間下的硫酸根離子在試件中的濃度空間分布圖；

(4)根據不同侵蝕時間下的硫酸根離子在試件中的濃度空間分布圖，比較不同時空分布下試件中硫酸根離子的濃度與外部環境的溶液中硫酸根離子的濃度，開裂區混凝土孔溶液中硫酸根離子濃度等于外部環境的溶液濃度時對應的時間即為混凝土服役壽命。

其中，所述步驟(1)中硫酸鹽在水泥基材料中的傳輸反應模型表達式如下：

式中，為混凝土內硫酸根離子濃度；為混凝土內化學反應消耗的硫酸根離子濃度；為飽和混凝土中硫酸根離子的擴散系數；

將上述表達式進行變換得到擴散模型的時空分布表達式如下：

式中，t表示時間，r表示傳輸深度；κ_v1為反應速率系數，取值為3.05×10^-8；C_Al表示單硫型硫鋁酸鈣溶解處的鋁離子(Al³⁺)濃度，取值為21.25mol/m³。

所述步驟(2)中，硫酸根離子在腐蝕混凝土試件內的擴散行為是移動邊界問題，其邊界條件可表示為：