混凝土中气体扩散系数的计算模型.pdfVIP

第39卷 第 6期 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) V01．39 NO．6 2007年l2月 J．Xi’an Univ．of Arch． Tech．(Natural Science Edition) Dec．2007 混凝土中气体扩散系数的计算模型 牛获涛 ，陈立亭 ，张成中 (1．西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西 西安710055； 2．中国京冶工程技术有限公司，北京 100088) 摘 要：混凝土中的气体扩散系数是研究混凝土碳化与钢筋锈蚀的重要参数．从气体扩散机理出发，深入分析 了气体在混凝土中扩散的影响因素．在评述已有扩散系数计算公式基础上，提出了以混凝土抗压强度为主要 参数，并考虑环境温湿度、混凝土的应力状态与水平等综合影响的气体有效扩散系数计算模型，利用已有的试 验结果确定了模型参数，为科学预测混凝土碳化速度与钢筋锈蚀速率奠定了基础． 关键词：混凝土；气体扩散；有效扩散系数 中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1006—7930(2007)06—741-05 一 般大气环境下，影响混凝土结构耐久性的主要因素是混凝土碳化引起的钢筋锈蚀．混凝土碳化速 度与钢筋锈蚀速率主要取决于气体在混凝土中的传输速率．根据传递理论，物质由于浓度梯度作用引起 的质量传递现象称为扩散．大气中的二氧化碳与氧气侵入混凝土即是一种扩散现象，其传输速率常用扩 散系数衡量，因此确定气体在混凝土中的扩散系数对于预测碳化深度与钢筋锈蚀速率极其重要． 自20世纪90年代，国外学者开始对气体在混凝土中的扩散系数进行研究．欧洲CEB—FIP模式规 范[1 以混凝土抗压强度为参数给出了其估算公式，但未考虑环境条件等对扩散系数的影响．希腊学者 V．G．PapadakisL2]、瑞士学者Y．F．Houst和F．H．WittmannL3 等自行研制了气体扩散系数的测试 装置，给出了二氧化碳在混凝土中扩散系数的计算公式，但测试方法复杂，参数难以确定，不便于工程应 用．国内在此方面研究起步较晚，资料较少．本文从气体在混凝土中的扩散机理出发，深入分析气体在混 凝土中扩散的影响因素，在评述已有扩散系数计算公式基础上，提出以混凝土抗压强度为主要参数，并 考虑环境温湿度、混凝土的应力状态与水平等综合影响的气体有效扩散系数计算模型． 1 气体在混凝土中的扩散机理与影响因素 1．1 气体在混凝土中的扩散机理 混凝土是一种多孔非匀质材料，内部孔隙分布曲折复杂，即使一条连通孔其孔径变化也是多种多 样，因此气体在混凝土中的传输距离远大于混凝土的垂直深度．为此，用有效扩散系数D 描述气体在 混凝土中的扩散更为适宜．根据混凝土中细孔或毛细管的形状、半径、细孔间的分枝和连接，气体在混凝 土中的扩散可以分为三种不同的扩散类型，即主体扩散、Knudsen扩散、表面扩散 ． (1)主体扩散 主体扩散即自由气体扩散，分子运动主要由分子间的碰撞引起．一般情况下，孔径尺寸 ≥IOA( 为 分子的平均自由程)时，主体扩散将占主导地位． (2)Knudsen扩散 当孔径小于分子的平均自由程时，气体分子之间的碰撞与分子一孔壁之间的碰撞相比显得微不足 道，此时Knudsen扩散占主导地位． 当A％d％IOA时，主体扩散和Knudsen扩散同时存在，其气体扩散系数D 可表示为 收稿日期：2007—04—26 基金项目：国家自然科学基金重点项目；面上项目 作者简介：牛获涛(1963一)，男，陕西华县人，博士，博士生导师，教授，主要从事结构耐久性研究工作 742 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第39卷 1／D 一1／D：+1／Dk (1) 式中：D：、D 分别为主体扩散系数、Knudsen扩散系数． 对混凝土来说，上述扩散会同时发生．假定混凝土孔隙为理想直圆柱形孔时，气体扩散系数可由下 式给出 引：