淺析混凝土氯離子擴散系數(shù)擬合方法的應用

黃美景

（上海黃浦建設工程質(zhì)量檢測有限公司 上海 200011）

1 氯離子對混凝土的危害

1.1 氯離子會降低混凝土的強度

氯離子在水泥水化過程中會與鈣結合生成氯化鈣，粉末狀的氯化鈣是無強度的化合物，有比較大的吸濕性，易于潮解，暴露于外易吸收空氣中的水汽，氯化鈣粉末易溶于水，20℃時溶解度為74.5g/100g 水，同時放出大量的熱，其水溶液呈微酸性。氯離子不僅使得固化后的混凝土中含有無粘結強度的氯化鈣［1］，還會對混凝土本身自帶的抗化學腐蝕能力進行破壞，混凝土的強度受其影響會有比較明顯的下降，減少混凝土結構的使用壽命。

1.2 氯離子會對混凝土中的鋼筋造成腐蝕

在鋼筋混凝土結構中，鋼筋對結構的安全性能有著非常重要的作用。由于氯離子具有很強的氧化能力，與鋼筋中的鐵元素發(fā)生反應生成氯化鐵，氯化鐵具有酸性，會改變鋼筋所處環(huán)境的pH 值［2］，鋼筋在酸性環(huán)境下極易與空氣中的二氧化碳、水相結合，生成疏松多孔的鐵銹。氯離子對鋼筋材料進行腐蝕，導致鋼筋表面的鈍化膜被破壞［3］，進一步加快了鋼筋腐蝕的速度，導致鋼筋的有效面積減小，鋼筋與混凝土的粘結性減弱，造成鋼筋與混凝土的剝離。氯離子在混凝土結構中的破壞性作用主要是腐蝕鋼筋從而降低鋼筋的強度和承載能力，導致鋼筋在結構中降低甚至失去承載力，無法有效地對混凝土結構進行支撐，增加了混凝土結構的風險。

1.3 氯離子會降低混凝土結構的耐久性

氯離子降低混凝土的強度和造成鋼筋腐蝕，直接影響結構整體的耐久性能，使混凝土結構無法按照原先的設計荷載進行承載，也不能夠在原先規(guī)定設計的年限內(nèi)保證安全和穩(wěn)定。

對于混凝土結構，強度和耐久性必須滿足設計強度和耐久性，而氯離子會降低混凝土強度和耐久性，從而埋下安全隱患。因此，要對氯離子含量、氯離子滲透的能力（用擴散系數(shù)或電通量來表示）、氯離子在混凝土中滲透擴散情況高度重視，及時做好試驗檢測工作，及時掌握試驗數(shù)據(jù)，用來供設計參考復核并指導施工［4-6］。

2 混凝土中氯離子滲透擴散情況檢測規(guī)定

《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規(guī)范》中明確了混凝土中氯離子滲透擴散情況檢測應符合以下規(guī)定。

（1）測點位置應選擇在不同區(qū)域、不同構件具有代表性的部位。

（2）不同區(qū)域應各抽取構件數(shù)量的5%，且不少于10個構件進行檢驗。

（3）取樣位置應選擇在主筋附近，并避開混凝土裂縫和明顯缺陷，芯樣直徑應不小于混凝土粗骨料最大粒徑的4倍。

（4）混凝土粉樣應分層取樣，每一取樣點不得少于5 層，各層粉樣不得相混。取粉的最大范圍為以芯體的中心為圓心，以小于芯體半徑5mm的一個圓為最大的范圍，隨著取樣深度的加大，可根據(jù)不同的取樣工具而逐漸降低取樣的最大半徑范圍，但每次取樣的有效范圍應大于粗骨料最大粒徑的3倍。

（5）取樣點相鄰位置相同深度段的粉樣可混合為一個試樣。

（6）混凝土中氯離子含量測定應按現(xiàn)行行業(yè)標準《水運工程混凝土試驗檢測技術規(guī)范》的有關規(guī)定進行。

（7）混凝土氯離子擴散系數(shù)和混凝土表面氯離子含量可按下式計算：

式中，Cx，t為齡期t時不同深度處的氯離子含量（%）；Ci為混凝土中原始氯離子含量（%）；Cs為混凝土表面氯離子含量（%）；erf 為誤差函數(shù)；x為距離混凝土表面的深度（cm）；Dt為氯離子擴散系數(shù)（cm2/s）；t為混凝土暴露于環(huán)境中經(jīng)過的時間（s）。

3 混凝土氯離子擴散系數(shù)擬合實例

某老碼頭定期檢查檢測中，按上述方法，分別取得面板1、面板2 等兩個部位的5 層粉樣，測得的氯離子含量見表1所示。

表1 碼頭不同深度的氯離子平均含量（%）（以混凝土重量計）

測得混凝土中原始氯離子含量平均值Ci=0.029，已知結構平均澆筑日期為1994年7月1日，取粉日期為2020年8月19日，海水環(huán)境下腐蝕9546d（約26.15年），記824 774 400s，要求擬合出擴散系數(shù)。

擬合采用軟件MATLAB 2020。

3.1 面板1，5點全參加擬合

第1步，如圖1，輸入代碼如下：x=［0.005 0.015 0.025 0.035 0.045］；y=［0.244 0.233 0.204 0.18 0.127］；cftool。

圖1 擬合第1步——輸入代碼

第2步，自動跳出擬合界面，如圖2，選擇x、y，給擬合命名“面板1擴散系數(shù)5點”。

圖2 擬合第2步——選擇x、y，給擬合命名

第3步，如圖3，選擇Custom Equation，輸入公式0.029+(a-0.029)*(1-erf(x/(4*824774400*b)^1/2))。發(fā)現(xiàn)自動擬合效果不佳，如圖4所示。

圖3 擬合第3步——選擇C ustom E quation，輸入公式

圖4 自動擬合效果不佳

加入中間變量b：

則：

輸 入 公 式0.029 +(a - 0.029)*(1 - erf(b*x))，擬合后如圖5和圖6。

圖5 自動擬合效果很好

圖6 擬合得到b=11.23，a=0.2705，SSE=0.0006603

按上述步驟，采用不同點組合，可以得到如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 面板1 不同點組合的擬合數(shù)據(jù)

由擬合結果的極差統(tǒng)計可以看出，擴散系數(shù)極差較大，某一點氯離子檢測結果可能與事實不符。采用去掉某一點的統(tǒng)計辦法，再次統(tǒng)計結果如下。

去掉點1，按點2345、234、235、245、345進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為2.855×10-12。

去掉點2，按點1345、134、135、145、345進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為5.376×10-12。

去掉點3，按點1245、124、125、145、245進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為4.241×10-12。

去掉點4，按點1235、123、125、135、235進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為6.580×10-12。

去掉點5，按點1234、123、124、134、234進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為3.948×10-12。

從上述的擬合結果可以看出，第一層測得的氯離子可能比真實情況偏小，第一層參與擬合后擴散系數(shù)結果波動較大，去掉第一層數(shù)據(jù)后擴散系數(shù)結果波動最小。

3.2 面板2，5點全參加擬合

輸 入 公 式0.029 +(a - 0.029)*(1 - erf(b*x))，擬合后得到a=0.3152，b=16.76，SSE=0.0004019。

按上述步驟，采用不同點組合，可以得到如表3所示數(shù)據(jù)。

表3 面板2 不同點組合的擬合數(shù)據(jù)

由擬合結果的極差統(tǒng)計可以看出，擴散系數(shù)極差較大，某一點氯離子檢測結果可能與事實不符。同樣，采用去掉某一點的統(tǒng)計辦法，再次統(tǒng)計結果如下。

去掉點1，按點2345、234、235、245、345進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為1.620×10-13。

去掉點2，按點1345、134、135、145、345進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為7.364×10-13。

去掉點3，按點1245、124、125、145、245進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為7.626×10-13。

去掉點4，按點1235、123、125、135、235進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為1.105×10-12。

去掉點5，按點1234、123、124、134、234進行擬合，得到擴散系數(shù)極差為1.242×10-12。

由上述的擬合結果可以看出，第一層測得的氯離子可能比真實情況略偏大，第一層參與擬合后擴散系數(shù)結果波動較大，去掉第一層數(shù)據(jù)后，擴散系數(shù)結果波動最小。

4 結語

（1）擬合公式中輸入準確時間時，軟件自動擬合不出來，加入中間變量后，軟件就能得出比較好的結果

（2）每一層的氯離子檢測結果都要盡可能準確，否則擬合起來結果波動較大。

（3）第一層的氯離子檢測結果受到的干擾因素較多，有混凝土外部浮漿較多等因素，有取樣時的因素，有室內(nèi)試驗的因素等，建議去掉第一層數(shù)據(jù)，可能效果更好。