混凝土渗透溶蚀过程中钙离子迁移过程数值模拟_李新宇VIP免费

收稿日期:2007�10�29作者简介:李新宇(1978�),男,湖北石首人,博士,主要从事高混凝土坝结构与材料方面的研究,(电话)0571�56738858(电子信箱)xinyuli2005@126.com。��文章编号:1001�5485(2008)06�0096�05混凝土渗透溶蚀过程中钙离子迁移过程数值模拟李新宇1,方坤河2(1.华东勘测设计研究院,杭州�310014;2.武汉大学水利水电学院,武汉�430072)摘要:在总结混凝土中离子迁移过程机理的基础上,推导了混凝土渗透溶蚀过程中Ca2+离子迁移过程的一维数学模型。根据混凝土软水渗透溶蚀试验得到的部分参数,采用有限单元法对模型进行求解,定量模拟了混凝土软水渗透溶蚀过程中Ca2+离子迁移过程,数值模拟结果与试验结果基本吻合。数值模拟结果还表明:混凝土渗透性是影响混凝土渗透溶蚀特性的关键因素,渗透系数较小的混凝土,即使在软水作用下,渗透溶蚀程度也有限。关�键�词:混凝土;渗透溶蚀;数值模拟中图分类号:O357.3���文献标识码:A��混凝土溶蚀(又称软水侵蚀、浸析腐蚀)是混凝土化学反应侵蚀中的一种。其机理是长期与水接触的混凝土结构物,由于水中暂时硬度小,属软水,使得混凝土中的石灰被溶失,从而使液相石灰浓度下降,混凝土中水泥水化产物分解,最后导致混凝土结构物破坏。混凝土溶蚀破坏是一个从混凝土开始用于水下工程就出现的问题。早在1887年,俄国学者����格林卡(������!∀#)测出了硬化水泥石中含有Ca(OH)2,20世纪初期,科研人员就特别指出了浸析腐蚀的危险性[1]。对于混凝土大坝,特别是浇筑质量较差、孔隙率较大的混凝土坝,在压力水作用下,有发生溶蚀破坏的可能,如1912年美国的科罗拉多(Colorado)拱坝报废、1924年鼓后池(DrumAf-terbay)拱坝的报废,主要与溶蚀破坏有关[2]。我国的丰满大坝,因浇筑质量差,混凝土不密实,混凝土渗漏溶蚀非常严重。但由于这一问题的复杂性,在随后很长一段时间内,除了前苏联�.�.莫斯克文等人对溶蚀进行了比较系统的研究外,对混凝土溶蚀特性的研究基本上处于停滞状态。在我国,直到20世纪末,出于对水工混凝土材料性能和耐久性方面的考虑,分别由武汉大学方坤河等人对碾压混凝土溶蚀和渗透特性进行了较详细的试验研究[3],由中国水利水电科学研究院李金玉等人进行了压力水下的混凝土渗漏溶蚀的试验研究[4]。与此同时,法国原子能委员会(FrenchAtomicEnergyCommis-sion)为了利用混凝土结构物处理核工业所产生的放射性废料,由MarcMainguy[5,6]等人对混凝土结构物同软水接触过程中的物理化学过程及其对混凝土结构物的混凝土强度和孔隙率等指标的影响作了大量的研究,对混凝土受软水侵蚀的物理化学机理作了较详细的论述,特别是对混凝土结构物同软水接触过程中的溶蚀过程作了定量方面的研究,取得了部分成果。本文主要对混凝土软水渗透溶蚀试验过程中的Ca2+离子迁移过程进行了数值模拟,混凝土软水渗透溶蚀试验方法与结果详见参考文献[7]。1�渗透溶蚀过程中离子迁移的数学模型1.1�理论基础混凝土中离子迁移作用机理主要有,�渗透(forcedconvection);�分子扩散(diffusion);�水动力弥散(hydrodynamicdispersion);�吸附(adsorp-tion);�外电场作用(motionofionsduetoanexter-nalelectricalfieldinducedbyreinforcementcorro-sion);�内电场作用(motionofionsduetoamomen-tarilyinducedinternalelectricalfieldamongtheionspresentintheporesolution,i.e.,theeffectofthecompositionofthemixtureonthemassflowamongpositiveandnegativechargedionsinsolution)等[8,9]。其中水动力弥散是大量个别的溶质质点,通过孔隙的实际运移,与发生在孔隙中的各种物理和化学现象的宏观反映。造成水动力弥散的原因非常复杂,包括流体流动,多孔介质复杂的微观结构,分子扩散,流体性质,如密度、粘度等的变化对流速影响等。但其中主要是对流、机械弥散和分子扩散这几种物质运移过程同时作用的结果。混凝土渗透溶蚀中第25卷第6期长�江�科�学�院�院�报Vol.25No.62008年12月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteDec.2008Ca2+离子主要随渗透水的流动而迁移,迁移过程主要遵循水动力弥散机理。根据J.Bear[10]等人将多孔介质定义为:(1)多项物质所占据的一部...