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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(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(shù)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(jīng)不同侵蝕時(shí)間，研究了鹽霧環(huán)境下
氯離子在安全殼混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律，并對Fick's第二擴(kuò)散定律進(jìn)行了修正。用修正模型進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果顯示要讓安全殼安
全運(yùn)行40年，則鋼筋保護(hù)層厚度至少為51 mm；而想延壽至60年，則鋼筋保護(hù)層厚度需要增加到56 toni。
關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(yīng)堆的保護(hù)結(jié)構(gòu)，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(dāng)一回路
管道發(fā)生破裂、造成失水事故時(shí)，將事故中的裂變產(chǎn)物限
制和消除在其內(nèi)部。
Mehta教授 曾在《混凝土耐久性——五十年進(jìn)展》
主旨報(bào)告中指出：“當(dāng)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(xué)作用。”而在引
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(nèi)大部分核電站處于高溫高濕的濱海地區(qū)，海
風(fēng)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(nèi)部滲透，引起鋼筋的銹蝕，極大地危害了安全
殼結(jié)構(gòu)的可靠性能和安全性能。因此混凝土安全殼作為
核反應(yīng)堆最后一道保護(hù)屏障，由氯離子侵蝕引起的安全
問題。
本試驗(yàn)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(jīng)不同侵蝕時(shí)間，研
究了鹽霧環(huán)境下氯離子在安全殼混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律，并
對Fick's第二擴(kuò)散定律進(jìn)行了修正。
1 試驗(yàn)
1．1 試驗(yàn)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(shí)情況，
試驗(yàn)用混凝土的配制強(qiáng)度為C50，原材料除生產(chǎn)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(xì)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(chǎn)的YM —VIII。試驗(yàn)采用150 1TUTI×150 1Tlln×150 mm
殼混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題是每個(gè)核電廠必須密切關(guān)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(溫度(20 4-3)℃ ，相
對濕度不小于90％)下養(yǎng)護(hù)28 d，然后從試件4個(gè)側(cè)面選
收稿日期：2014-09-06
基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA050901)
· 66·
取一個(gè)光滑面作為侵蝕面，澆筑面、底面及其他3個(gè)側(cè)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(yàn)，混凝土試塊侵蝕表面與垂直方向應(yīng)盡可能成20。角，見
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式中：C(X，t)——暴露時(shí)間為t時(shí)，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(shí)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(shù)，表達(dá)式為— I ‘dz。
J 0
根據(jù)所鋇4氯離子含量，以式(5)為依據(jù)用最小二乘法
擬合混凝土擴(kuò)散系數(shù)D和表面氯離子含量c。，擬合結(jié)果
見表2。
表2 鹽霧試驗(yàn)擬合結(jié)果
2．1 表面氯離子含量c 時(shí)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(shí)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(xué)術(shù)界普遍采用指數(shù)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(shí)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(shù)，1／d。
用式(6)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖7。可得 一為0．75％，
r為一0．038，擬合優(yōu)度為0．84。
時(shí)l司／d
圖7 表面氯離子含量時(shí)變曲線
2．2 擴(kuò)散系數(shù)D時(shí)變規(guī)律
混凝土水化是一個(gè)緩慢的過程，隨著水化的不斷進(jìn)
行，混凝土的孔結(jié)構(gòu)會得到逐步改善，從而使氯離子擴(kuò)散
系數(shù)D逐漸減小，因此認(rèn)為氯離子擴(kuò)散系數(shù)D是具有時(shí)
間依賴性的。Maage等人 認(rèn)為氯離子擴(kuò)散系數(shù)D與時(shí)
間t符合式(7)：
= ( ㈩
式中：D ——暴露時(shí)間為t的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；
Dn——相應(yīng)于暴露時(shí)間 的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；
— — 暴露時(shí)間；
— — 衰減指數(shù)。
從表2中可以看出，除7 d外，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)
D隨時(shí)間 逐漸減小，用式(7)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)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(kuò)散系數(shù)時(shí)變曲線
3 安全殼混凝土氯離子擴(kuò)散模型修正及參數(shù)
選擇
3．1 Fick's第二定律解析解的修正
混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間不斷變小，因此氯離
子擴(kuò)散模型也應(yīng)考慮時(shí)間因素。同時(shí)引入環(huán)境系數(shù) 。
D=KD (8)
由式(1)～(4)、(7)～(8)得出修正后的Fick S第二
擴(kuò)散定律的解析解為：
廠 ，， 、]
c( )=c0+(c,-Co) '~O'O X m Jl )
3．2 模型參數(shù)選擇
據(jù)之前的研究，混凝土表面氯離子濃度C 的數(shù)值是
隨著時(shí)間推移而逐漸增加的動態(tài)變化值，且最終應(yīng)是可以
與環(huán)境介質(zhì)中的氯離子濃度達(dá)到一個(gè)平衡的穩(wěn)定值。參考
DuraCrete 圳提出的計(jì)算模型，結(jié)合某電廠安全殼服役時(shí)
間及距海岸線實(shí)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(yàn)獲得C 為0．75％，而實(shí)
際海洋大氣環(huán)境中，氯含量達(dá)不到5％，該值可以選做極端
情況進(jìn)行試算。
一般混凝土中初始氯離子含量很低，可以認(rèn)為Co=
0，模擬時(shí)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(yàn)結(jié)果：氯離子
侵蝕28 d后的cl一擴(kuò)散系數(shù)為7．26×10 cm ／s，衰減指
數(shù)m為O．56。
對于環(huán)境系數(shù) ，余紅發(fā) 認(rèn)為該值主要與環(huán)境溫濕
度有關(guān)：
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(shù)；
kRa— — 濕度影響系數(shù)；
q—— 活化系數(shù)，取值為2 680；
— — 基準(zhǔn)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(jié)合某電站實(shí)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(jié)果數(shù)值預(yù)測
對所建模型通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，得到不同侵蝕時(shí)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(jù)美國ACI混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定在任何環(huán)境下，預(yù)
應(yīng)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(shí)間
下，達(dá)到cl 的侵蝕深度d。見表3。
安全殼的最小鋼筋保護(hù)層厚度一般設(shè)計(jì)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(jīng)達(dá)到0．01％的臨界值。而要讓安全
殼安全運(yùn)行40年，則鋼筋保護(hù)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(hù)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(hù)層厚度可有效抵抗氯離子的
侵蝕。
表3 不同時(shí)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(shí)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(shí)間氯離子含量分布擬合圖( =O．32)
4 結(jié)語
(1)本研究根據(jù)某電廠實(shí)際的濱海大氣環(huán)境參數(shù)，建
立了適當(dāng)?shù)柠}霧試驗(yàn)機(jī)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(shí)
間先增大后趨于平穩(wěn)，達(dá)到最大值，該值為0．75％。
(3)研究分析，安全殼混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)D隨時(shí)
間逐漸減小，其衰減指數(shù)m為0．56。
(4)引入環(huán)境系數(shù) ，并修正了Fick's第二擴(kuò)散定律。
運(yùn)用修正后模型進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果顯示要讓安全殼安
全運(yùn)行40年，則鋼筋保護(hù)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(hù)層厚度需要增加到
56 mill。
(5)增加鋼筋保護(hù)層厚度可有效抵抗氯離子的侵蝕。
參考文獻(xiàn)：
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[9]Building code requirements for structural concrete(ACI 318M一
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(gòu)筑物混凝土耐久性。
聯(lián)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(lián)系電話： 18306201987

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