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濱海環(huán)境安全殼混凝土氯離子侵蝕規(guī)律研究

文檔作者：湯志杰，廖開星，孔祥龍。李毅。違文新文檔來源：蘇州熱工研究院有限公司		點擊數：	更新時間： 2024年02月21日
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2015年第5期(總第307期)
Numb~5 in 2015(Total No．307)
混 凝 土
Concrete
理論研究
T髓0RETICAL RESEARCH
doi：10．3969／j．issn．1002·3550．2015．05．017
濱海環(huán)境安全殼混凝土 氯離子侵蝕規(guī)律研究
湯志杰，廖開星，孔祥龍。李毅。違文新
(蘇州熱工研究院有限公司壽命中心老化管理技術研究所，江蘇蘇州215004)
摘要：通過綜合鹽霧箱模擬濱海地區(qū)大氣環(huán)境，采用安全殼同等級同配合比混凝土試件，經不同侵蝕時間，研究了鹽霧環(huán)境下
氯離子在安全殼混凝土中的擴散規(guī)律，并對Fick's第二擴散定律進行了修正。用修正模型進行數值分析，結果顯示要讓安全殼安
全運行40年，則鋼筋保護層厚度至少為51 mm；而想延壽至60年，則鋼筋保護層厚度需要增加到56 toni。
關鍵詞：濱海大氣環(huán)境；安全殼；混凝土；氯離子
中圖分類號：TU528．O1 文獻標志碼：A 文章編號：1002—3550(2015)05-0066-04
Diffusion of chloride Ion into containment concrete under coastaI environment
TANG zh ，LL40 Kmxmg，KONG Xianglong，LI Yi，TI Wenxin
(Departmem of Ageing Managemem，Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou 215004，China)
Abstract：Concrete specimens，with the same ratio of the containment concrete
，were tested in salt spray test chamber which simulated
the atmospheric environment in coastal area．The rule of diffusion of chloride ion into containment concrete had been discussed under
different erosion time and improved Fick's second law．Using improved model for numerical analysis
，the results show that the thickness
of cover should beat least 51 minforthe40 years safe operation ofthe containment；ifprolonglifeto 60 years
，thethickn ess needtoin—
crease to 56 inlT1．
Key words：coastal atmospheric environment；containment building；concrete；chloride ion
安全殼是核反應堆的保護結構，是繼核燃料包殼、一
回路壓力邊界之后的第三道安全屏障，其功能是當一回路
管道發(fā)生破裂、造成失水事故時，將事故中的裂變產物限
制和消除在其內部。
Mehta教授 曾在《混凝土耐久性——五十年進展》
主旨報告中指出：“當今世界混凝土破壞原因，按重要性遞
減順序排列是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學作用?！倍谝?
起鋼筋銹蝕的因素之中，氯離子侵蝕作用最為顯著。
由于國內大部分核電站處于高溫高濕的濱海地區(qū)，海
風和霧氣中含有的氯離子極易沉積在安全殼混凝土表面，
并向其內部滲透，引起鋼筋的銹蝕，極大地危害了安全
殼結構的可靠性能和安全性能。因此混凝土安全殼作為
核反應堆最后一道保護屏障，由氯離子侵蝕引起的安全
問題。
本試驗通過綜合鹽霧箱模擬濱海地區(qū)大氣環(huán)境，采用
安全殼同等級同配合比混凝土試件，經不同侵蝕時間，研
究了鹽霧環(huán)境下氯離子在安全殼混凝土中的擴散規(guī)律，并
對Fick's第二擴散定律進行了修正。
1 試驗
1．1 試驗材料及配合比
為了盡可能模擬某核電廠安全殼混凝土的真實情況，
試驗用混凝土的配制強度為C50，原材料除生產場地不同
外，其余規(guī)格都相同：水泥采用珠江粵繡P·II 42．5級水
泥；粉煤灰為珠江電廠I級粉煤灰；粗骨料分別采用粒徑
5～16 mm和16-31．5 rain的連續(xù)級配的小石和大石；細骨
料采用粒徑0．16-5 mnl的中砂；外加劑采用江蘇博特公司
生產的YM —VIII。試驗采用150 1TUTI×150 1Tlln×150 mm
殼混凝土結構耐久性問題是每個核電廠必須密切關注的 的立方體試件，水膠比為0．41。混凝土配合比見表1。
表1 混凝土配合比
1．2 試件處理
混凝土澆筑后，首先在標準環(huán)境(溫度(20 4-3)℃ ，相
對濕度不小于90％)下養(yǎng)護28 d，然后從試件4個側面選
收稿日期：2014-09-06
基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA050901)
· 66·
取一個光滑面作為侵蝕面，澆筑面、底面及其他3個側面
均用環(huán)氧樹脂密封，干燥1 d后，放入綜合鹽霧箱開始試
驗，混凝土試塊侵蝕表面與垂直方向應盡可能成20。角，見
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式中：C(X，t)——暴露時間為t時，深度X處的氯離子濃
度，％；
— — 暴露面與取樣層間的距離，cm；
卜一混凝土暴露在氯鹽環(huán)境中所持續(xù)的時間，s；
C —— 表面氯離子濃度，％；
— — 混凝土初始氯離子濃度，％；
1 ．
P礦一誤差函數，表達式為— I ‘dz。
J 0
根據所鋇4氯離子含量，以式(5)為依據用最小二乘法
擬合混凝土擴散系數D和表面氯離子含量c。，擬合結果
見表2。
表2 鹽霧試驗擬合結果
2．1 表面氯離子含量c 時變規(guī)律
從表2中可以看出，除7 d外，混凝土表面氯離子濃度
C 一開始隨著侵蝕時間不斷增大，且早期增長速度較快，
隨后逐漸減慢，并逐步趨于穩(wěn)定。學術界普遍采用指數模
型，即Kassir理論模型 來擬合，見式(6)：
C (t)=C ? (1一e ) (6)
式中：C (t)— —f時刻的混凝土表面氯離子濃度，％；
C ?——混凝土表面氯離子濃度最大值，％；
r——表征累積速率的擬合系數，1／d。
用式(6)進行擬合，擬合結果見圖7?？傻?一為0．75％，
r為一0．038，擬合優(yōu)度為0．84。
時l司／d
圖7 表面氯離子含量時變曲線
2．2 擴散系數D時變規(guī)律
混凝土水化是一個緩慢的過程，隨著水化的不斷進
行，混凝土的孔結構會得到逐步改善，從而使氯離子擴散
系數D逐漸減小，因此認為氯離子擴散系數D是具有時
間依賴性的。Maage等人 認為氯離子擴散系數D與時
間t符合式(7)：
= ( ㈩
式中：D ——暴露時間為t的氯離子擴散系數；
Dn——相應于暴露時間 的氯離子擴散系數；
— — 暴露時間；
— — 衰減指數。
從表2中可以看出，除7 d外，混凝土氯離子擴散系數
D隨時間 逐漸減小，用式(7)進行擬合，擬合結果見
圖8?？傻胢為0．56，擬合優(yōu)度為0．996。
宙
箍
褪
圖8 氯離子擴散系數時變曲線
3 安全殼混凝土氯離子擴散模型修正及參數
選擇
3．1 Fick's第二定律解析解的修正
混凝土的氯離子擴散系數隨時間不斷變小，因此氯離
子擴散模型也應考慮時間因素。同時引入環(huán)境系數 。
D=KD (8)
由式(1)～(4)、(7)～(8)得出修正后的Fick S第二
擴散定律的解析解為：
廠 ，， 、]
c( )=c0+(c,-Co) '~O'O X m Jl )
3．2 模型參數選擇
據之前的研究，混凝土表面氯離子濃度C 的數值是
隨著時間推移而逐漸增加的動態(tài)變化值，且最終應是可以
與環(huán)境介質中的氯離子濃度達到一個平衡的穩(wěn)定值。參考
DuraCrete 圳提出的計算模型，結合某電廠安全殼服役時
間及距海岸線實際距離，選取表面氯離子濃度C 的值為
0．32％。本研究通過鹽霧加速試驗獲得C 為0．75％，而實
際海洋大氣環(huán)境中，氯含量達不到5％，該值可以選做極端
情況進行試算。
一般混凝土中初始氯離子含量很低，可以認為Co=
0，模擬時并不考慮混凝土中初始氯離子的含量。
模型中D。、 和m可以參考本研究試驗結果：氯離子
侵蝕28 d后的cl一擴散系數為7．26×10 cm ／s，衰減指
數m為O．56。
對于環(huán)境系數 ，余紅發(fā) 認為該值主要與環(huán)境溫濕
度有關：
K =kT RH
=eXp[孽( 一專)】
-1-195一 1．207
1+expl l
(10)
(11)
(12)
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式中：kT— — 溫度影響系數；
kRa— — 濕度影響系數；
q—— 活化系數，取值為2 680；
— — 基準溫度，取值為20 oC；
— — 環(huán)境溫度，取值為29 oC；
日——環(huán)境相對濕度，取值為80％。
因此由式(10)一(12)，結合某電站實際環(huán)境，可以得
出 為0．448。
3．3 安全殼混凝土氯離子侵蝕結果數值預測
對所建模型通過計算機數值計算，得到不同侵蝕時間
下安全殼混凝土不同深度處的氯離子含量，見圖9、10。根
據美國ACI混凝土結構設計規(guī)范 規(guī)定在任何環(huán)境下，預
應力鋼筋混凝土的臨界水溶性氯離子濃度Cl。 均不超過膠
凝材料重的0．06％，即混凝土重的0．01％。則不同暴露時間
下，達到cl 的侵蝕深度d。見表3。
安全殼的最小鋼筋保護層厚度一般設計值為45 mm，
從表3中可以看出，安全殼在暴露20年后，距離表面44 rnrn
處的氯離子含量已經達到0．01％的臨界值。而要讓安全
殼安全運行40年，則鋼筋保護層厚度至少為51 mill；如
果想讓安全殼延壽至60年，則鋼筋保護層厚度需要增
加到56 mill。如果再增加8～64 mill就可以抵抗極端惡
劣環(huán)境，可見增加鋼筋保護層厚度可有效抵抗氯離子的
侵蝕。
表3 不同時間下氯離子侵蝕深度
O．8
0．7
喜o．6
0．5
。一4
0．3
蔫0．2
0．1
1年
C1
60年
睪
4j 5．0 5 5 柚 65
O 1 2 3 4
／cm
圖9 不同侵蝕時間氯離子含量分布擬合圖(Cs=O．75)
O．35
0_30
芒
船O．25
鑫o．20
0．15
撬。 10
O．05
0
圖10 不同侵蝕時間氯離子含量分布擬合圖( =O．32)
4 結語
(1)本研究根據某電廠實際的濱海大氣環(huán)境參數，建
立了適當的鹽霧試驗機制來模擬濱海大氣環(huán)境下氯離子
對安全殼混凝土的侵蝕過程。
(2)研究分析，安全殼混凝土表面氯離子濃度c 隨時
間先增大后趨于平穩(wěn)，達到最大值，該值為0．75％。
(3)研究分析，安全殼混凝土氯離子擴散系數D隨時
間逐漸減小，其衰減指數m為0．56。
(4)引入環(huán)境系數 ，并修正了Fick's第二擴散定律。
運用修正后模型進行數值分析，結果顯示要讓安全殼安
全運行40年，則鋼筋保護層厚度至少為51 rlln'l。如果想
讓安全殼延壽至6o年，則鋼筋保護層厚度需要增加到
56 mill。
(5)增加鋼筋保護層厚度可有效抵抗氯離子的侵蝕。
參考文獻：
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11)and commentary[Z]．American Concrete Institute，USA，
2Ol】．
第一作者： 湯志杰(1987一)，男，碩士研究生，研究方向：主要從
事核電構筑物混凝土耐久性。
聯系地址： 蘇州姑蘇區(qū)西環(huán)路1788號蘇州熱工研究院有限公司
(215o04)
聯系電話： 18306201987

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