[发明专利]钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型及数值计算方法

说明书

本发明公开了一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型及数值计算方法，针对钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制技术提出了包括氧气和水分传输、离子迁移、电极反应以及钢筋表面非线性极化等能够揭示阴极腐蚀控制技术本质的理论模型和相应计算方法。本发明的理论模型与计算方法能够预测钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的效果，即腐蚀控制电场下钢筋表面氧气浓度、氯离子浓度、pH值以及钢筋表面腐蚀电流密度、析氢电流密度和耗氧电流密度随控制时间的变化趋势关键信息，为钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制系统的设计与控制策略的制定提供理论模型和数值计算方法。

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，涉及一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制方法，具体涉及一种阴极腐蚀控制技术的理论模型与数值计算方法。

背景技术

钢筋混凝土结构为土木工程领域内最主要的结构形式之一，被广泛应用于大型的工业民用建筑、桥梁工程、水利工程等等。然而，腐蚀严重降低了钢筋混凝土结构的耐久性，给人类生命安全以及国家经济的快速发展造成了严重的威胁。例如，2018年莫兰迪大桥的坍塌致使43人死亡，造成该事故的主要原因为该大桥长期遭受氯盐和硫酸盐的侵蚀，同时缺乏及时的维护。为此，国内外开发了大量的腐蚀控制与防护技术，如除锈剂、高性能混凝土、不锈钢和FRP筋材的使用，以及阴极保护、电化学除氯、电化学再碱化等电化学技术。其中，阴极保护被认为是一种最直接有效的腐蚀控制技术。而传统的阴极保护技术的数值理论基于欧姆定律(如公式(1)所示)和连续性方程(如公式(2)所示)所建立，如目前国际上常用阴极保护设计的Beasy商业软件，仅从热力学角度上设计阴极保护。

然而，阴极保护不仅可以从热力学上直接将钢筋表面电位极化至保护电位范围内，同时还可以从动力学上抑制诱发腐蚀的因素，如提高钢筋表面pH值、降低钢筋周围氯离子的浓度，即具有电化学除氯和电化学再碱化的功能。传统阴极保护的理论模型基于方程(1)和(2)，一般不考虑后者，包括Beasy软件。近些年，发明人提出了集成电化学除氯和电化学再碱化的阴极腐蚀电驱动统一控制技术。但是，目前缺乏能够支撑该技术的理论模型和计算方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明考虑了氧气和水分传输、离子迁移等对阴极保护的影响，提供了一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型及数值计算方法。本发明实现了阴极保护作用下钢筋表面的pH值、氯离子浓度以及局部电流密度的精确计算，为混凝土结构耐久性提升提供了坚实的基础理论和实用的核心技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型，包括如下物理场及其耦合关系：

物理场：水分传输采用Richards方程；氧气传输采用Fick第二定律；混凝土孔隙液内离子传输采用Nernst-Planck方程；孔隙液与水化产物间相互作用采用热力学平衡模型；钢筋表面的电极动力学反应采用Tafel方程；

耦合关系：将水分传输的对流作用耦合进离子传输的Nernst-Planck方程；将水分传输所引起的混凝土饱水度空间上的变化结合进Fick第二定律以及热力学平衡模型中；将钢筋表面氧气浓度结合到边界处的Tafel方程中，以实现氧气传输与钢筋表面电极动力学反应的相互耦合；在钢筋表面定义三种电极反应，以实现离子传输与电极动力学反应间的相互耦合。

一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，包括如下步骤：