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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

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. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.015
引用本文: 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. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.015
MA Qiang, ZUO Xiaobao, TANG Yujuan. Numerical simulation of calcium leaching process of hardened cement paste under action of environmental water[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017, (3): 107-115. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.015
Citation: MA Qiang, ZUO Xiaobao, TANG Yujuan. Numerical simulation of calcium leaching process of hardened cement paste under action of environmental water[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017, (3): 107-115. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.015

环境水侵蚀下水泥净浆钙溶蚀的模拟与验证

doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.015
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51279092

三峡大学研究生科研创新基金资助项目 SDYC2016019

详细信息
    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

    通讯作者:

    左晓宝(E-mail: xbzuo@sina.com)

  • 中图分类号: TV432;TU528.01

Numerical simulation of calcium leaching process of hardened cement paste under action of environmental water

  • 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Newton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6M NH4Cl溶液中的加速钙溶蚀试验, 测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。
  • 图  1  试件孔溶液中Ca2+浓度随时间和深度分布

    Figure  1.  Time-depth variation of calcium ion concentration in pore solution of specimen

    图  2  试件不同深度处CH含量和CSH凝胶含量随时间的变化

    Figure  2.  Changes of CH and CSH content in specimen with leaching time

    图  3  水泥净浆试件中固体钙含量随溶蚀时间的变化

    Figure  3.  Time-depth variation of solid calcium content in cement paste specimen

    图  4  孔隙率随溶蚀时间的变化曲线

    Figure  4.  Changes of porosity in specimen with leaching time

    表  1  钙溶蚀模型中的相关参数

    Table  1.   Calculation parameters in a calcium leaching model

    参数数值备注
    模型验证(加速)参数分析(常规)
    构件及网格划分参数试件厚度L(mm)210-
    空间步长h(mm)0. 020. 1-
    时间步长Δt(d)0.011-
    材料参数水灰比W/C0.35/0.45/0.550.35-
    CH初始含量CCH(mol/m3)3 9763 976文献[12]
    CSH凝胶初始含量CCSH(mol/m3)7 2607 260文献[12]
    孔溶液中的Ca2+浓度Csatu(mol/m3)88622.15文献[10]
    CSH开始溶解时Ca2+浓度x1(mol/m3)802文献[10]
    CSH快速溶解时Ca2+浓度x2(mol/m3)765.8319.15文献[10]
    环境参数环境温度T(℃)2525室温
    环境水中初始Ca2+浓度Uw(mol/m3)00恒定
    纯水中的Ca2+扩散系数D0(m2/s)5×10-105×10-10文献[15]
    离子交换速率kυ(m/s)6×10-76×10-7试验测得
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    表  2  水泥净浆试件孔隙率随溶蚀时间的变化

    Table  2.   Changes of porosity of cement paste specimen with leaching time

    时间/d水灰比0.35试件孔隙率水灰比0.45试件孔隙率水灰比0.55试件孔隙率
    试验值模拟值误差/%试验值模拟值误差/%试验值模拟值误差/%
    00.2880.28800.3250.32500.3540.3540
    10.3240.325-0.160.3650.381-4.360.4190.437-4.26
    30.3540.364-2.850.3980.437-9.680.4320.469-8.54
    50.4050.3913.290.4590.4492.040.4950.4695.35
    70.4100.4041.550.4680.4493.890.4920.4694.65
    90.3930.404-2.760.4660.4493.530.4910.4694.50
    120.3900.404-3.450.4680.4493.960.4870.4693.73
    150.4160.4042.920.4770.4495.810.4970.4695.57
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    表  3  水泥净浆试件钙硅比随溶蚀时间的变化

    Table  3.   Changes of Ca/Si of cement paste specimen with leaching time

    时间/d水灰比0.35试件孔隙率水灰比0.45试件孔隙率水灰比0.55试件孔隙率
    试验值模拟值误差/%试验值模拟值误差/%试验值模拟值误差/%
    04.324.3204.294.2904.344.340
    32.732.94-7.692.262.40-6.191.841.783.26
    150.921.12-21.740.590.71-20.340.490.3822.45
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-07-01
  • 刊出日期:  2017-06-01

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