海水暴露下的水工混凝土结构中氯离子渗透特征：液压罐模拟实验验证

××工程科学与技术，国际期刊22（2019）939完整文章暴露于不同水头海水的水工混凝土结构中氯离子渗透的表征：使用液压罐Thair Jabar Mizhir Alfatlawi，Riyadh Abdulabbas Ali Alsultani伊拉克巴比伦大学土木工程系，巴比伦51001阿提奇莱因福奥文章历史记录：接收日期：2018年2019年1月17日修订2019年2月1日接受在线预订2019年保留字：氯离子渗透海水水头液压混凝土结构（HCS）液压油箱（HPT）A B S T R A C T水工混凝土结构在服役期间必须保持良好的状态，因此在过去的几十年里，人们对水工混凝土结构的鲁棒性进行了大量的研究。由于这些结构的多孔性，海水中存在的氯化物会渗透并腐蚀其增强铁。此外，这些结构经常破裂，变得更容易退化。根据模型化和模拟的基本原理，高水头及其与HCS相互作用的模拟是一个难题，为此，提出了一种新的实验室方法--水压箱（HPT），用于模拟几十米水头及其对上述结构的影响。用实验试件对该方法进行了验证，并与数值计算结果进行了比较。实验结果表明，采用这种新的测试，同意从数值解得到的结果相当。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍混凝土是水工建筑物中使用最广泛的材料之一，用于控制目的和利用水资源。如果正确设计和生产，它是一种非常耐用的材料，使用寿命可达数百年。然而，在某些环境条件下，钢筋混凝土结构的使用寿命是有限的[1，2].海水中含有对混凝土材料有害的腐蚀性物质，是影响HCS最严重的自然环境之一。由于新拌混凝土泌水、收缩受限、温度梯度、冻融循环、碱-骨料反应等多种现象的影响，以及外部荷载的作用，这些结构经常出现裂缝，这些结构中裂缝的存在对钢筋使用寿命的缩短以及结构强度、稳定性和耐久性的损失起到了重要的催化剂作用[3]。氯离子渗透的早期检测是工程界，特别是水工建筑物研究者和工程技术人员十分重视的课题对这一现象的成功预测有助于了解影响氯渗透及其在混凝土中浓度的因素，从而了解混凝土中氯的行为。*通讯作者。电子邮件地址：Reyadabedalabasali93@gmail.com（R.A.A.Alsultani）。由Karabuk大学负责进行同行审查。氯离子渗透，在水工混凝土结构（HCS），已被典型地在实验室模拟在现场研究。实际上，裂缝混凝土的氯离子迁移特性受多种因素的影响，如水位、裂缝几何形状、混凝土组成和暴露条件。本研究旨在发展一种新的水力介质贯入试验方法，对不同水头作用下的裂缝混凝土试件进行贯入试验。本文对（250 ~ 250 ~ 250）mm 尺 寸 的 人 工 裂 缝 混 凝 土 试 件 进 行 了 2 m 和 5 m 海 水 水 头（Pressure head）的模拟及其影响的在铸造试样之前，使用垫片铜板在试样的中间尺寸产生人工裂纹，使试样预开裂，其中尺寸为（0.5和1.0）mm作为裂纹宽度，（6和10）cm作为裂纹深度。评估是根据一些物理性质（海水中的氯化物含量及其在上述混凝土样品中的渗透）进行的因此，通过使用电气技术在暴露于3.5%NaCl的水头下312 h监测氯离子分布剖面，以模拟海水的典型海洋环境[4]。利用Comsol Multiphysics软件建立了二维有限元模型，考虑混凝土中水泥浆体、空隙和骨料的微观结构，模拟了氯离子在混凝土中的渗透深度，通过对氯离子渗透深度随浓度变化的计算结果进行比较，得出了采用质量扩散和对流的数值计算结果https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.02.0012215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch940T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22 （2019）939.ΣpxLC×1/4C，K;l;r;k;Wcr;Dcr;Lcr;Ws;Ds;Ls;T！gCx用Matlab软件以二维彩色图像的形式对实验结果进行了分析，结果与实验结果相2. 创意细节2.1. 氯离子转运氯离子在混凝土中的迁移是一个复杂的过程，涉及扩散、对流、毛细吸力或这些机制的任何组合、随流水流动以及物理和化学结合等机制[5]。由于水头作用于建筑物表观表面的水压力，决定了HCS中输运的控制机制取决于挡水建筑物的暴露条件和输运机制的具体实施。由于本研究研究的是氯离子在水下开裂混凝土结构中的侵入，因此在这些完全或半完全水饱和的结构中，最重要且通常占主导地位的传输过程是对流和扩散[6]。2.2. 测试在饱和条件下，作为暴露于海洋环境中的混凝土结构的浸没构件，根据达西定律，水流由压力梯度驱动达西H<$HpD 1式中：H为静压头，Hp为压头，D为扬程。作为混凝土结构中的滞留水，水流与明渠一样，一般遵循两个运动定律：线动量守恒定律和能量守恒定律对于有裂缝的水工建筑物，其规律通常表示为能量守恒定律通常在水头作用下的水力学中得到表达。图1显示了所研究的开裂混凝土结构系统的流动配置2.3. 量纲分析量纲分析是一种基于数学的方法，用于分析具有不同影响物理量的某种现象或问题，以通过识别其基本维度来产生连接它们的关系。为了模拟任何水力现象，都需要对原型和实验室模型的相关参数进行一旦知道了基本（原型/模型）比例，从实验模型收集的数据就可以转换为等效值，原型取决于无量纲参数，如（弗劳德数，雷诺数，欧拉数，马赫数等）。本文主要研究了含裂缝混凝土结构中海水渗透的场特性和水力学特性。许多研究人员[7（二）至（4）：对于海水特性f1Cs;H;q;l;g;T其中：Cs=表面（海水）氯化物浓度; %，H=压力（海水）水头; L，q=溶质密度; FT2 L-4，l=海水动力粘度; FTL-2，g=地球重力; LT-2，以及T=温度;°C混凝土结构特点f2LS;WS;DS;Lcr;Wcr;Dcr; k 3其中：LS=混凝土结构长度; L，WS=混凝土结构宽度; L，DS=混凝土结构深度;L，Lcr=裂缝长度; L，Wcr=裂纹宽度; L，Dcr=裂纹深度; L，以及k=表面粗糙度; L.对于流量穿透深度特性Cx¼f3K;r 4其中：Cx=氯化物渗透深度; L，K=溶质渗透速度（导水率）;LT-1，以及r=表面张力; FL-1。因此，本研究所选取的影响HCS中氯离子渗透深度的变量可以被概括如下：Cx;Cs;H;q;K;g;l;r;Wcr;Dcr;Lcr;k;WS;DS;LS;T¼0 × 5 Ω为了确保控制该问题的无量纲量，应用白金汉理论（p-定理），使用q、g和Cx作为重复变量，如下所示：Hpg1C3x2CCC C C C其中：GCQ2X2 qgCx x xxx xxð6ÞFig. 1. HCS的部分KFrC）弗劳德数，由距离Cx表示为特征gCx特征长度;无量纲，qg1= 2Cx3= 21/4ReCx）雷诺数，用距离Cx表示为特征长度;无量纲，用距离Cx表示的韦伯数，作为特征长度;无量纲。T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22（2019）939941××HReeCxCxCxCxCxCx CxLm因此C1/4Cs;F;R;W;k;Wcr;Dcr;Lcr;Ws;Ds;Ls;T表1混凝土材料配合比和混凝土性能（采用[15]）。根据上述等式（Eqs. （6）和（7）），得出了混凝土结构中氯离子渗透深度受水头、表面氯离子浓度、裂缝尺寸、结构尺寸和温度等因素影响的结论同时还发现，表面张力和动力粘度分别用韦伯数和雷诺数表示由于高水头限制了这一问题，可以说它们的影响可能不显著，或者可以通过测量由弗劳德数表示的水力传导率（K）来实现。2.4. 水力相似模型中的物理量与原型中的物理量之间的相关性称为相似性。为了使模型与原型完全相似，必须满足三个相似性：几何相似性、运动相似性和动力相似性。在试验模型设计中，长度比是一个重要的考虑因素，为了选择一个合适的长度比，必须考虑几个因素和限制，如：可用空间、建造成本、其他参数相似性的限制。在模拟“裂纹结构中的贯穿流动”这一现象时，遇到了许多问题。这些问题和最困难的是裂缝的几何形状，因为当没有比例比的法线的表示本身是非常困难的，然而，如果使用比例比，则其大小减小到这样的时间。为了高精度地研究这一现象，科学地应用模拟原理，并依据文献[10，11]，选取了一个合适尺寸的研究结构段，其裂缝尺寸符合实际，以及其他影响因素，如海水水头、盐度比（氯化物含量）、贯入速度等。因此，根据建模现象的原理，发现了以下关系混凝土结构和裂缝几何形状的Lr<$Lp<$1Hr;Csr;Vr;lr;rr;qr;kr;Tr;1/90其中：Lr=长度比例;无量纲，Lp和Lm分别为原型和模型的长度;L和Hr;Csr;Kr;lr;rrr;qr;kr;Tr分别为原型到模型的压头、表面（海水）氯化物浓度、氯化物溶液渗透速度（水力传导率）、海水动力粘度、表面张力、溶质密度、表面粗糙度和温度。2.5. 混凝土组合物根据标准规范并符合ASTM C595，大多数暴露于海洋环境的混凝土结构必须使用混合水泥、低水胶比、高于5%的硅灰和高抗压强度值作为适当的混凝土混合物[12所有这些样品都用相同的混合物完成，如表1所示。在用聚乙烯-聚氧乙烯共聚物覆盖样品24小时后，水泥（kg/m3）450硅灰（kg/m3）32细骨料（kg/m3）1232粗骨料（kg/m3）410水（公斤/立方米）169超塑化剂（kg/m3）7水胶比（%）35坍落度（cm）1028-日抗压强度（MPa）50然后将它们命名并浸没在温度为23 ± 2°C和RH >90%的养护室中的填充水池中28天。2.6. 实验设计本实验研究中的实验室样本代表用于挡水的原型墙的部分。某典型挡土墙的竖向截面开裂时，裂缝的几何形状各异，并承受不同的直接接触压力水头。选择样本配置方案来模拟真实情况（图2）。一个大的管理尺寸，以建立目前的研究模型，0.25米长，0.25米宽，0.25米厚，以避免在准确识别样品中的氯化物渗透深度的错误，另一个限制是大重量的模型是最大可能携带（图10）。 3）。混凝土试件浇筑有两个水平的裂缝深度和宽度。裂缝是通过在模具中心安装一块薄铜板来模制混凝土而产生的。在铸造混凝土混合物，水泥，与一（250）60和250100)横截面0.5 mm，厚度0.5 mm，1.0 mm，连接到模具的侧表面，以产生裂纹。通过24小时的固化，板被完全拉出，如图所示。 3 a.在养护池中放置28天后，除饰面（裂缝侧）外，用环氧树脂对样本进行涂漆，饰面允许混凝土样本固有的氯化物溶质进行一维运输，更能说明许多现场水工建筑物。在应用之前，所有样品通过空气压缩机鼓风机清洁以去除任何灰尘或碎片。在标本上涂了三层油漆，图二. HCS原型尺寸。X942T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22 （2019）939图三. 试样的制备（a）：产生裂纹。(b)：环氧树脂涂层。(c)：最终完成的标本。混凝土表面所有开孔的填充（图3b和c）。小心防止环氧树脂填充裂缝。因此，发现使用合适的长度比例。根据以下内容，在整个本研究中研究的参数是不同的：● 水头（2和5）m，● 裂纹深度（6和10）cm，● 裂纹宽度（0.5和1.0）mm。由于高墩结构承受的静水压力范围较大，因此对高墩结构内部流场的数值模拟比较复杂。对现有的实验室方法进行了革新，以消除模型的繁琐，使实验结果更接近实际。使得该测试方法基于非稳态，该非稳态在实验方法中主要用于氯离子渗透，该测试方法包括将混凝土试样放置在半填充有氯离子溶液的槽中，并且根据需要或作为结构原型的模拟，通过施加空气压力在试样的一个面上施加水头将含氯化物的溶液引入混凝土的一面，其他面用环氧树脂涂覆，并施加压力在将混凝土试样从槽中取出并使用插入试样中的杆传感器组通过电气技术测试氯化物之后，将该压力HPT的制造（图4）是为了摆脱大范围水头的困难建模。使用空气压缩机仪器（图5）来压缩罐中固有的3.5%NaCl溶质。见图4。 HPT制造。T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22（2019）939943图五、带空气压缩机仪表的HPT混凝土样品通过无涂层的面随着时间的推移，并在任何压力，需要。见图6。HPT横截面示意图上罐盖的设计是为了保持罐内恒定的气压。这是通过精炼它（下表面）以及包含它的罐的表面来完成的，并用许多螺栓和螺母密封它们，这些螺栓和螺母在它们周围以相等的尺寸分布。此外，在顶盖和水箱之间使用了橡胶框架，以确保没有Exp. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和0.5mm。Num. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和0.5mm。Exp. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和1.0mm。Num. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和1.0mm。图7.第一次会议。在312小时的暴露条件下的实验和数值结果944T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22 （2019）939Exp. (2m、10cm和0.5mm作为水头、裂缝深度和裂缝宽度。Num. (2m、10cm和0.5mm作为水头、裂缝深度和裂缝宽度。Exp. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为10cm和1.0mm。Num. (2m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为10cm和1.0mm。Exp. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和0.5mm。Num. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和0.5mm。图7（续）允许空气原子或水滴通过它。因此，每次测试时，每个压力都保持稳定，并通过使用压力计和压力调节器进行监测，在罐的最高水平处注入调整压缩机-调节器对随后，这些驱动的水导致溶质渗透到开裂的混凝土试样中（图1）。 6）。3. 结果和讨论通过使用新的试验方法对四种实验室规格进行了实验，其中施加压力以获得结果，并通过该方法获得所制造器械的准确度。然后从压力罐中提取样本，并使用电气试验测试氯化物的渗透和扩散。结果是一致的-T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22（2019）939945Exp. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和1.0mm。Num. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为6cm和1.0mm。Exp. (5m、10cm和0.5mm作为水头、裂缝深度和裂缝宽度。Num. (5m、10cm和0.5mm作为水头、裂缝深度和裂缝宽度。Exp. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为10cm和1.0mm。Num. (5m水头、裂缝深度和裂缝宽度分别为10cm和1.0mm。图7（续）使用Matlab软件将每次测试和样本的图像转换为二维图像通过数值解“多孔介质中的流体流动和达西定律下的地下流动”与“具有对流和扩散输运的稀释组分输运”的耦合，得到的结果使用Comsol Multiphysics软件对每次试验和模型进行二维成像。通过对数值模型和试验试件的测试，得出了计算结果.对它们进行了比较，如图7所示。人工裂纹形式在图像的中间位置被示出为直线946T.J.M. Alfatlawi， R.A.A. Alsultani /工程 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 22 （2019）939通过对上述试验和数值计算结果的分析，得出了氯离子渗透深度随着裂缝深度的增加而增加的结论，其中水头和裂缝宽度对渗透氯离子浓度影响最大的在相同的水头暴露下，裂缝深度与宽度对氯离子渗透深度没有这可能是由于两种常用水头具有相同的贯入能，或者是由于最近使用的混凝土混合物试件。4. 结论本文通过试验和数值模拟研究了不同水头下水工混凝土结构裂缝尺寸（深度和宽度）对氯离子渗透的影响。在所有这些艰苦而有趣的工作之后，可以推断出一些最终结论：氯离子渗透深度随着裂缝深度的增加而增加，其中水头和裂缝宽度对渗透氯离子浓度影响最大的因素是水头分担率。在相同的水头暴露下，裂缝深度与宽度对氯离子渗透深度没有显著影响。这可能是因为两个使用过的水头具有相同的穿透能量，或者是由于最近使用过的水头。混凝土混合物的试样。新的实验室技术2）试验数据可用于确定预测氯离子在饱和混凝土中迁移时所需的试件参数; 3）与其它试验相比，本试验具有成本低、装置简单、试验时间相互竞争的利益作者声明他们没有利益冲突。确认这项研究是不成功的没有帮助的管理员和我的家人，所有的感谢和感激他们。资助信息不适用因引用[1] J. Frederiksen，H. Sørensen，A. Andersen，O. Klinghoffer，水灰比对混 凝 土 中 氯离子迁移的影响，丹麦公路局，1997年。[2] S.J. Jaffer，C.M. Hansson，不同荷载条件下开裂混凝土中钢筋的氯离子诱导腐蚀产物，Cem。Concr.Res.39（2009）116-125.[3] N. Gowripalan，V.混凝土弯曲开裂时的氯离子扩散系数。浓缩液Res. 30（2000）725-730。[4] S.M. Adiyastuti，裂缝对钢筋混凝土受弯构件氯离子腐蚀的影响，新南威尔士大学，2005年。[5] T.卢平湖O. Nilsson，P. Basheer，混凝土抗氯离子侵入性，Taylor和Francis，伦敦，2012年。[6] R.A.不许动J.A. Cherry，Groundwater，Printice-Hall Inc，Englewood Cliffs，NJ，1979，p. 604号[7] A. Carpinteri，S.瓦伦特湾费拉拉湖张文，混凝土结构断裂力学，1992年，第102 -104页。351-360[8] G. Plizzari，F.瓦戈纳，V.E.李文，混凝土坝的动力特性分析，国立台湾大学土木工程研究所硕士论文，1995。[9] D.W. Harris，N. Snorteland，T. Dolen，F.张文，混凝土重力坝振动台二维模型，地震工程。结构。动力学 29（2000）769-787。[10] F. Barpi，S.张文，等.混凝土坝的数值模拟.126（2000）611-619。[11] G.I. Barenblatt，脆性断裂过程中平衡裂纹的形成。 一般想法和假设。轴对称裂纹，J. Appl. 数学机甲23（1959）622-636。[12] A.丹羽陈文辉，混凝土坝模型振动台试验研究，国立台湾大学土木工程研究所硕士论文，1998。[13] M. Otieno，M.亚历山大，H.- D. Beushausen，裂缝和未裂缝混凝土中的腐蚀-裂缝宽度、混凝土质量和裂缝重新张开的影响，Mag.Concr.Res.62（2010）393-404。[14] A. Blagojevic'，裂缝对钢筋混凝土结构的耐久性和使用寿命的影响与氯离子引起的腐蚀：从不同的角度看，代尔夫特理工大学，代尔夫特理工大学，2016年。[15] M. Safehian，A.A. Ramezanianpour，在严酷的海洋环境条件下测定氯离子渗透到硅灰混凝土中的使用寿命模型评估，Constr. Build. Mater. 48（2013）287-294。●●●