[发明专利]杂散电场下钢混界面腐蚀时变边界的精准动力学计算方法

说明书

本发明公开了一种杂散电场下钢混界面腐蚀时变边界的精准动力学计算方法，所述方法根据钢混界面反应动力学特征对极化数据进行分区域拟合，同时结合水泥热力学和水化动力学计算，提出了依赖于电极电位、侵蚀性粒子浓度和pH的钢‑混界面反应动力学时变边界确定方法。该方法在对钢‑混界面反应极化数据深刻分析的基础之上，结合了水泥热力学和水化动力学计算，使得到的界面反应动力学信息不但和电极电位相关，而且和侵蚀性粒子浓度相关，可进一步提高钢筋腐蚀相关数值模拟在时域上计算的准确性，尤其是服役于侵蚀环境下的钢筋混凝土结构。

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，涉及一种杂散电场作用下钢-混界面反应动力学时变边界条件的确定方法。

背景技术

钢筋混凝土结构广泛应用于建筑结构、桥涵隧道和海下基础工程等领域，其耐久性和服役安全性不但关乎国民经济健康、快速发展，而且也是人们生命财产安全的重要保障。因此，对钢筋混凝土耐久性的研究显的尤为重要。钢筋的腐蚀被认为是影响结构耐久性的顽疾，影响腐蚀的因素包括环境因素和人为因素，其中环境因素包括碳化、氯盐侵蚀和冻融等，人为因素主要是来自于轨道交通、高压输电线等所形成的杂散电流。杂散电流不但会显著影响钢筋在混凝土中的电化学腐蚀行为，而且还会加速由环境因素所引起的碳化、氯盐侵蚀等过程。因此，揭示杂散电流腐蚀机理，提出有效的腐蚀监测与控制策略是目前亟待解决的问题。

在此背景下，科研人员已经对杂散电流引起钢筋混凝土的腐蚀开展了大量的试验研究，随着电化学腐蚀、电极界面动力学、无机材料热力学与动力学等基础学科以及有限元方法的不断发展，通过数值模型计算来指导实际工程中钢筋混凝土腐蚀监测与控制已经成为可能。然而，相较于工程实际状态，数值计算结果的准确性受到钢-混界面反应动力学边界条件设置状态的影响。界面腐蚀反应动力学过程对所处电解质溶液环境中氯离子浓度和pH值等参数十分敏感，当这些参数发生变化时，对应的动力学边界条件可能也会发生较大的变化。目前的数值模型中并未充分考虑边界条件的时变性，这对处于侵蚀环境下(如氯盐侵蚀和碳化)的钢筋混凝土在时域上的数值计算准确性产生较大影响。因此，获得杂散电场作用下钢筋混凝土腐蚀数值计算中电极电位和侵蚀性粒子浓度相关的时变边界条件至关重要。因此，充分考虑钢筋混凝内环境的时变特性，建立杂散电场下钢混界面反应动力学边界条件的精准表征方法，具有重要的科学价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂散电场下钢混界面腐蚀时变边界的精准动力学计算方法，该方法在对钢-混界面反应极化数据深刻分析的基础之上，结合了水泥热力学和水化动力学计算，使得到的界面反应动力学信息不但和电极电位相关，而且和侵蚀性粒子浓度相关，可进一步提高钢筋腐蚀相关数值模拟在时域上计算的准确性，尤其是服役于侵蚀环境下的钢筋混凝土结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种杂散电场下钢混界面腐蚀时变边界的精准动力学计算方法，所述方法根据钢混界面反应动力学特征对极化数据进行分区域拟合，同时结合了水泥热力学和水化动力学计算，确定了依赖于电极电位、侵蚀性粒子浓度和pH的钢-混界面反应动力学时变边界，包括如下步骤：

步骤一、水泥热力学和水化动力学过程

混凝土的硬化过程中考虑水泥水化动力学并结合水泥热力学计算，最终得到孔隙液中侵蚀性粒子浓度和pH值，其中：

所述水泥热力学计算由非理想溶液粒子之间的平衡模型、纯相的溶解沉积模型、固溶体模型和表面络合模型共同决定；

所述水泥水化动力学采用Parrot andkilloh’s水化动力学模型；

步骤二、钢-混界面动力学参数的确定

根据极化特征将极化数据划分为线性区、弱极化区、Tafel区、钝化区和活化区五个电极电位区间，其中：