环境水侵蚀下水泥净浆钙溶蚀的模拟与验证.pdf

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1、第３期水利水运工程学报Ｎｏ．３２０１７年６月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪｕｎ．２０１７ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１７．０３．０１５马强，左晓宝，汤玉娟．环境水侵蚀下水泥净浆钙溶蚀的模拟与验证［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１７（３）：１０７－１１５．（ＭＡＱｉａｎｇ，ＺＵＯＸｉａｏｂａｏ，ＴＡＮＧＹｕｊｕａｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｌｃｉｕｍｌｅａｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈａｒｄｅｎｅｄｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｕｎｄｅ

2、ｒａｃｔｉｏｎｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７（３）：１０７－１１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））环境水侵蚀下水泥净浆钙溶蚀的模拟与验证马强，左晓宝，汤玉娟（南京理工大学理学院土木工程系，江苏南京２１００９４）摘要：钙溶蚀是导致水环境中混凝土等水泥基材料耐久性退化的重要原因之一。为获得软水环境下水泥净浆的钙溶蚀过程，首先，基于Ｆｉｃｋ定律及质量守恒定律，利用钙溶蚀过程中材料骨架内固体钙含量和孔溶液中钙离子浓度之间的化学平衡关系及Ｎｅ

3、ｗｔｏｎ边界条件，建立软水环境下水泥净浆的钙溶蚀模型，并通过有限差分法，对该模型进行数值求解；其次，进行不同水灰比的水泥净浆试件在６ＭＮＨＣｌ溶液中的加速钙溶蚀试验，测４定该溶液中各水泥净浆试件在不同溶蚀时间的钙硅比与孔隙率，并将所建立模型的计算结果与实测结果进行对比分析，验证模型的合理性；最后，利用验证后的钙溶蚀模型，数值分析了环境水侵蚀下水泥净浆薄板孔溶液中钙离子浓度、固体钙含量及孔隙率的时空分布规律。结果表明，模型的计算结果与试验测试结果基本一致；溶蚀前期，试件中固体钙含量下降速度和孔隙率增加速率均较

4、大，溶蚀后期，试件固体钙溶蚀速率和孔隙率的增加速率逐渐减小。关键词：钙溶蚀；水泥净浆；传输模型；软水侵蚀；数值模拟中图分类号：ＴＶ４３２；ＴＵ５２８．０１文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１７）０３－０１０７－０９长期处于环境水中的水坝、港口、水槽、桥梁等水利工程中的混凝土结构，钙溶蚀是最常见的病害之［１－２］一。软水侵蚀环境下，混凝土内部孔溶液中的钙离子在内外浓度梯度作用下，经扩散传输至外部环境水中，引起孔溶液中钙离子浓度的降低，骨架中的固体钙化物溶解，从而导致材料的孔隙率增加，进一步加大了

5、［３］材料的渗透性，加速了钙溶出过程，最终导致材料强度等力学性能下降。［４］国内外学者在水泥基材料钙溶蚀方面做了大量研究工作，Ｇéｒａｒｄ等基于水泥净浆孔溶液中钙离子与固相产物之间的热动力学平衡关系建立了钙溶蚀模型，并利用已有试验数据验证了模型的合理性。Ｍａｉｎｇｕｙ［５］等研究了水泥基材料溶蚀深度与钙溶蚀量之间的变化关系，根据固液钙之间的化学平衡关系，提出了以［６］固相钙为传输控制参量的传输模型。Ｂｅｒｎｅｒ利用水泥基材料钙溶蚀过程中固相钙溶解与液相钙扩散之间［７－８］的平衡关系，给出了钙溶蚀过程中的固液

6、平衡曲线。方坤河等研究了混凝土的渗透溶蚀特性，并对渗透［９］溶蚀过程中钙离子迁移过程进行了数值模拟。Ｗａｎ等建立了６ｍｏｌ／Ｌ硝酸铵溶液加速溶蚀条件下水泥净浆的钙溶蚀模型，并利用试验测试结果对模型进行了分析和验证。材料内部孔溶液中钙离子在内外钙离子浓度梯度作用下经表层扩散至外部环境，因而表层离子交换条件对整个溶蚀进程影响很大，但相关研究中尚未涉及表层离子交换速率问题。本文基于Ｆｉｃｋ定律和质量守恒定律，利用水泥基材料中固体钙含量和孔溶液钙离子浓度之间的化学平衡关系，并考虑边界离子交换作用，建立了环境水侵蚀下

7、水泥净浆的钙溶蚀模型，利用有限差分法对模型进行了数值求解，对模拟结果进行了试验验证，在此基础上对软水浸泡下的水泥净浆试件钙溶蚀过程进行了数值模拟。收稿日期：２０１６－０７－０１基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７８２６２，５１０７８１８６）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１４１３９６）作者简介：马强（１９９２—），男，河南林州人，硕士研究生，主要从事混凝土材料与结构研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：３１２ｍａｑｉａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ通信作者：左晓宝（Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｂｚｕｏ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ）１０８水利

8、水运工程学报２０１７年６月１模型建立１.１钙离子传输方程环境水中水泥净浆的钙溶蚀过程涉及固体钙的溶解和孔溶液中钙离子的扩散传输。由于静水条件下孔溶液中钙离子扩散速率远小于固体钙的溶解速率，本文忽略固体钙溶解对钙溶蚀进程的影响，认为孔溶液中钙离子浓度与ＣＨ（氢氧化钙）及ＣＳＨ凝胶等固钙含量处于化学平衡状态，因此，静水条件下水泥净浆钙溶蚀进程主要由孔溶液中钙离子的扩散传输所控制。假定环境水中的水泥净浆处于饱水状态，根