氯離子在帶接縫混凝土內的傳輸規律研究

延永東，司有棟，陸春華，高生宇，劉雪揚

(1. 江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇鎮江 212013； 2. 上海寶冶集團有限公司，上海 201941)

0 引 言

橋梁工程的混凝土在施工中常采用分段澆筑[1]或預制拼接[2]等方式，造成其先澆段和后澆段之間產生混凝土接縫[3-4]。由于接縫部位細觀結構與混凝土基體不同[5]，因此可能會對其力學性能和耐久性能產生影響。

對氯鹽環境中服役的混凝土結構來說，抗氯離子侵蝕性能對其耐久性壽命有重要影響[6]。已有研究表明接縫是沿海等惡劣環境下服役的混凝土結構的最薄弱部位。于東超[7]對中國冀北地區預應力混凝土橋梁梁體病害的調研表明，橋梁預制節段梁體接縫為混凝土橋梁最早出現病害的部位，也是混凝土橋梁結構中產生病害最嚴重的部位。Barman等[8]指出，接縫性能越高，混凝土的壽命也越長，且接縫性能主要與混凝土強度及表面光滑度有關。羅小雅[9]研究了接縫處的粗糙程度對界面區氯離子傳輸特性的影響，發現接縫部位鑿毛深度過大時會使界面處骨料松動，從而降低帶接縫混凝土的抗氯鹽侵蝕性能。李國平等[10-11]對分段成型的橋梁混凝土結構中常用的直接濕接縫、鑿毛濕接縫、干接縫和環氧膠接縫進行了氯離子侵蝕、碳化、凍融及接縫部位鋼筋銹蝕等耐久性試驗，結果表明：不同類型接縫的耐久性能雖有差別，但都是混凝土結構的薄弱部位，接縫處的水泥砂漿基體或施工損傷等因素是其耐久性能下降的主要因素。

目前，中國《混凝土結構耐久性設計標準》[12]尚未對接縫部位的耐久性給出特殊的預防措施，國內外學者盡管對帶接縫混凝土的耐久性進行了一些研究，但考慮的材料類型較傳統，也缺少系統的定量比較。為得出實際施工過程中現代混凝土結構接縫類型和原材料對氯離子在混凝土內傳輸規律的影響，本文研究了目前中國比較常見的接縫類型(鑿毛接縫、直接濕接縫、界面劑接縫)下的混凝土構件抗氯離子侵蝕性能，以期為帶接縫混凝土結構的耐久性設計和維護提供參考依據。同時為盡量減少混凝土內的水泥用量，考慮用石灰石和機制砂生產過程中的附加品石灰石粉來替代部分水泥，以減少環境污染和資源浪費，也為實現中國的碳達峰等目標提供新的思路。

1 試件設計與制作

1.1 試驗材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用細度模數為2.7的天然河砂；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的連續級配碎石；減水劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產的聚羧酸減水劑；拌合水采用鎮江市自來水。試驗同時考慮石灰石粉替代水泥的影響，在混凝土內摻入一定量的石灰石粉，石灰石粉由拓億新材料(廣州)有限公司制作，其中碳酸鈣含量(質量分數)α≥99%，細度為800目。

1.2 混凝土配合比設計

試驗采用水膠比為0.4的混凝土，其配合比如表1所示[13]，其中，C代表基準混凝土，LS1、LS2和LS3分別代表石灰石粉取代10%、20%、30%質量水泥的混凝土。按照規范進行澆筑和養護，試驗測得的各配合比下混凝土7、28 d立方體抗壓強度如表1所示?？梢钥闯?，除摻有10%石灰石粉的混凝土強度比基準混凝土稍有提高外，其他配合比混凝土的強度均有所減小，且摻量越大，強度損失也越大。由此說明當石灰石粉摻量過多時，會對混凝土強度產生不利影響。

表1 混凝土配合比及立方體抗壓強度Table 1 Mix proportion and cubic compressive strength of concrete

1.3 帶接縫混凝土試件制備及養護

帶接縫混凝土試件的制備方法為：首先按照基準混凝土配合比，將預制部分澆筑完成；之后對預制部分的接縫面(澆筑側面)進行處理，設計鑿毛接縫、直接濕接縫以及界面劑接縫3種接縫形式，如圖1所示；最后，將預制部分放入300 mm×150 mm×150 mm模具一側，在另一側澆筑摻石灰石粉混凝 土，如圖2所示。24 h后拆模，將澆筑完成的混凝土試件放進水池中進行養護。

本研究共澆筑5組混凝土試件，試件編號分別為C-LS1-Z、C-LS2-Z、C-LS3-Z、C-LS1-D、C-LS1-J，其中，C-LS代表接縫兩側混凝土類型，Z、D、J分別代表鑿毛接縫、直接濕接縫和界面劑接縫。

1.4 氯離子侵蝕試驗及檢測

帶接縫混凝土試件養護28 d后取出，除留其中一個150 mm×300 mm澆筑側面為試件侵蝕面外，其余表面均使用環氧樹脂進行封閉處理；然后將試件放入10%濃度的NaCl溶液中進行浸泡。達到侵蝕齡期(270 d)后，將試件取出自然風干2 d后進行取樣檢測，具體方法為：①根據圖3所示位置在不同橫截面上取樣(接縫處及距接縫不同位置)，每一橫截面取3個取樣點，取樣時沿試件侵蝕面向里用直徑為6 mm的鉆頭垂直鉆孔取粉，每5 mm取一次，每個孔共鉆取10次，將同一截面相同深度的粉樣進行混合并裝入自封袋；②取樣結束后，用篩子選出粒徑小于0.63 mm的粉樣，將其置于100 ℃烘箱中烘干，然后每組取1.5 g粉樣其溶于10 mL蒸餾水中并充分振動，靜置24 h，使自由氯離子充分溶解；③使用浸潤的RCT電極測試各樣品的溶液電位，根據預先標定結果換算為自由氯離子濃度。

2 結果與分析

2.1 不同類型接縫下混凝土氯離子傳輸規律分析

2.1.1 氯離子濃度橫向分布特征

檢測得到的帶接縫混凝土試件中的氯離子濃度(質量分數)橫向分布如圖4所示?？梢钥闯觯孩賹γ恳辉嚰?，同一深度接縫處的氯離子濃度均高于其他部位，由此說明接縫是混凝土抵抗氯離子侵蝕的最薄弱位置，對氯鹽環境下的混凝土結構耐久性有不利影響；②同一深度處的氯離子濃度在距接縫0～20 mm范圍內，隨距接縫距離的增加快速減??；距接縫20～50 mm范圍內稍有減??；距接縫50 mm之外則基本保持一致，氯離子濃度在距接縫50 mm范圍內近似呈倒V字形分布。這說明受接縫處高濃度影響，氯離子不僅會沿深度方向擴散，同時還會向接縫兩側的混凝土內傳輸。

為進一步分析接縫類型和石灰石粉摻量對氯離子橫向分布特征的影響，將各試件不同深度處的氯離子濃度取平均值，得到距接縫不同位置處的平均氯離子濃度,如圖5、6所示?？梢钥闯觯孩倬嘟涌p距離相同時，摻石灰石粉混凝土一側的氯離子濃度均大于基準混凝土一側，這說明摻入石灰石粉降低了混凝土的抗氯離子侵蝕能力；②當石灰石粉摻量(質量分數，下同)為30%時，摻石灰石粉混凝土一側的氯離子濃度明顯高于摻量為10%和20%時的氯離子濃度，說明石灰石粉摻量過大時對混凝土結構耐久性影響較大，這與王德輝等[14]的研究結果一致；③在接縫位置處，各試件的平均氯離子濃度由大到小依次為直接濕接縫試件(C-LS1-D)、鑿毛接縫試件(C-LS1-Z)、界面劑接縫試件(C-LS1-J)，其比值為1∶0.931∶0.897；在摻有石灰石粉一側也呈現類似規律，說明相比鑿毛接縫和界面劑處理接縫，直接濕接縫處滲入的氯離子最多，其抗氯離子侵蝕能力最弱。

2.1.2 接縫處氯離子濃度分布

不同石灰石粉摻量、接縫類型對接縫處氯離子濃度分布的影響如圖7、8所示?？梢钥闯?，在距混凝土表面0～10 mm內，石灰石粉摻量為30%時接縫處混凝土的氯離子濃度大于石灰石粉摻量為10%與20%時的值，直接濕接縫處的氯離子濃度也明顯高于鑿毛接縫和界面劑接縫處的值。當深度大于20 mm時，距表面距離較遠處混凝土內的氯離子濃度較小，導致不同石灰石粉摻量及不同接縫處理方式下的混凝土氯離子濃度差別不大。

2.2 表觀氯離子擴散系數分析

氯鹽浸泡環境下混凝土中氯離子主要是以濃度梯度驅動的擴散方式傳輸，可利用Fick第二定律描述其擴散過程。本文試驗條件下，氯離子在混凝土內總體為一維侵蝕。另外，氯離子在混凝土內以自由氯離子和結合氯離子的形式并存，其擴散方程為[15]

(1)

式中：D為混凝土內氯離子擴散系數；Ct為距混凝土侵蝕表面x處的總氯離子濃度，Ct=Cf+Cb，Cf為距混凝土侵蝕表面x處的自由氯離子濃度，Cb為距混凝土侵蝕表面x處的結合氯離子濃度；t為擴散時間。

用R表示氯離子與混凝土的結合能力[15]，R=Cf/Ct。本文分別用萃取液和蒸餾水溶解混凝土粉樣，測試了幾組同一位置的氯離子濃度，得出總氯離子濃度和自由氯離子濃度后計算得到R=0.85。

在本文試驗條件下，方程式(1)的初始條件為C(x>0,t=0)=C0，邊界條件為C(x=0,t>0)=Cs，則可得式(1)的簡化解析解為

(2)

根據式(2)，對浸泡270 d后的帶接縫混凝土各截面的自由氯離子濃度進行擬合，可得到混凝土表觀氯離子擴散系數Da。圖9和圖10分別為不同石灰石粉摻量和不同接縫類型的帶接縫混凝土沿縱向的氯離子擴散系數?？梢钥闯觯孩俳涌p處的表觀氯離子擴散系數明顯大于其他位置處的值，在距接縫0～50 mm范圍內，混凝土表觀氯離子擴散系數基本隨距接縫距離增大而減??；②接縫處直接濕接縫(C-LS1-D)、鑿毛接縫(C-LS1-Z)與界面劑接縫(C-LS1-J)三者的擴散系數分別為6.35×10-12、6.11×10-12、5.98×10-12m2·s-1，分別為基體混凝土的1.95倍、1.87倍、1.83倍(基體混凝土氯離子擴散系數取值為距接縫90 mm處3種接縫類型擴散系數的均值)，說明直接濕接縫處混凝土抗氯離子侵蝕性能最弱；③摻石灰石粉一側混凝土的表觀氯離子擴散系數明顯大于普通混凝土，石灰石粉摻量分別為10%、20%、30%時，混凝土表觀氯離子擴散系數分別比不摻石灰石粉的混凝土增大9.8%、11.8%、65.8%，可見石灰石粉摻量為30%時混凝土表觀氯離子擴散系數增大最多。

3 數值模擬與分析

與完整混凝土相比，帶接縫混凝土的氯離子傳輸機理比較復雜，導致接縫及其附近的氯離子濃度分布較難用理論公式計算，為此有必要采用數值模擬進行分析。

3.1 帶接縫構件二維模型

為與試驗結果進行對比，采用二維實體帶接縫模型，其尺寸為150 mm×300 mm，中間有一條接縫，已有研究表明[16]，當混凝土的集料體積分數在40%～70%之間變化時，模型砂漿中漿體厚度在0.02～2 mm到0.006～0.5 mm之間變化。因此，結合本文試驗，模型的接縫區兩側厚度各取1 mm。

模型接縫兩側材料選用混凝土，接縫處選用水泥砂漿；物理場選取稀物質傳遞，其方程與Fick第二定律一致。除留300 mm厚的上表面為氯離子濃度邊界外，其余表面均為無通量邊界。實測混凝土內部氯離子初始濃度為0.01%。單元采用自由三角形，共計1 444個單元，其中距接縫較近處單元尺寸較小，最小為0.09 mm，距接縫較遠處單元尺寸較大，最大為20.2 mm，單元劃分如圖11所示。分析步長為10 d，求解總時長為270 d。

3.2 數值模擬參數

3.2.1 表面氯離子濃度

模型暴露表面需定義表面氯離子濃度，根據試驗得到的距接縫不同距離處的氯離子濃度隨深度分布，利用式(2)進行擬合，可得到距接縫不同位置處的表面氯離子濃度。如在C-LS1-D中，距接縫距離s在-20、0、20 mm三個位置處的取值分別為0.477%、0.651%和0.423%(取值不同是因為材料不一致)。

3.2.2 表觀氯離子擴散系數

模型的三個區域(接縫區、接縫區左側、接縫區右側)材料不同，因此需確定不同的表觀氯離子擴散系數?？紤]到接縫區主要為水泥砂漿[9]，與傳統的骨料-砂漿界面過渡區比較相似，因此參考骨料-砂漿界面過渡區氯離子擴散系數的取值(在1.3×10-12～145.8×10-12m2·s-1之間)[17]，本模型中接縫區的表觀氯離子擴散系數取45×10-12m2·s-1；接縫區左側及右側的表觀氯離子擴散系數取值如下：通過RCM試驗[18]得到對應配合比混凝土的28 d氯離子擴散系數(圖12)，然后采用式(3)[19-20]計算不同齡期的氯離子擴散系數。

(3)

式中：D(t0)為t0時刻氯離子在混凝土內的擴散系數；t0為參考時間，一般取28 d；n為時間衰減系數，本文取0.75。

3.3 模擬結果

為了驗證本文提出的帶接縫混凝土試件數值模型的可靠性，選取部分試件的氯離子濃度分布進行對比。試驗及模擬得到的距接縫-20、0、20 mm三個位置處的氯離子濃度分布如圖13所示?？梢钥闯?，各位置處不同深度的氯離子濃度試驗結果與數值模擬結果較為接近，說明模擬計算時，需考慮接縫的特殊性，在接縫處需采用不同的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴散系數，由此可以得出更為準確的結果。

4 結語

(1)帶接縫混凝土內同一深度的氯離子濃度均呈倒V字形分布，即接縫處氯離子濃度最大，然后在距接縫一定影響范圍內向接縫兩側逐漸減小。侵蝕時間為270 d時，同一深度處的氯離子濃度在距接縫0～20 mm范圍內，隨距接縫距離的增加快速減??；距接縫20～50 mm范圍內稍有減??；距接縫50 mm之外則基本保持不變。

(2)三種接縫處的氯離子濃度和表觀氯離子擴散系數由大到小依次為：直濕接縫、鑿毛濕接縫、界面劑接縫。說明在接縫處采取一定的措施有助于提高其抗氯離子侵蝕性能。

(3)同一接縫處理后，石灰石粉摻量越大，接縫處氯離子濃度越大；石灰石粉的摻入增大了混凝土氯離子擴散系數，當石灰石粉摻量為20%以下時，氯離子擴散系數稍有增加，但當石灰石粉摻量為30%時，混凝土氯離子擴散系數急劇增大。

(4)考慮接縫處的特殊性，數值模擬時在接縫處采用不同的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴散系數可以得出更為準確的結果。