干濕交替作用下RC結構中氯離子傳輸數值分析

彭建新，程小康，陽逸鳴

（1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙410114；2.湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000）

干濕交替環境下臨海鋼筋混凝土結構的氯化物擴散問題是許多學者研究混凝土耐久性的重要課題之一［1-6］。氯離子侵蝕所誘發的混凝土內鋼筋銹蝕是導致鋼筋混凝土結構耐久性降低的主要原因［7］。近年來，學者們通過試驗對鋼筋混凝土中氯離子擴散進行了研究。徐現正等［8］對不同干濕比作用下的鋼筋混凝土結構進行了氯離子擴散試驗，發現干濕時間比對氯離子在混凝土內擴散影響較大。YU 等［9］測試了?？跒澈痛筮B灣的氯離子含量，發現鋼筋的銹蝕程度除了與環境相關外，還與氯離子含量存在相關性。PEPENAR 等［10］對兩座分別運營了14 a和22 a的工業建筑中的鋼筋混凝土結構的氯離子含量進行了測試，發現鋼筋的點蝕電位隨氯離子含量的對數下降。由于進行試驗的成本較高且耗費時間較長，因此許多學者采用數值模擬進行氯離子傳輸研究。CAO 等［11］基于FICK 第二定律，采用交替方向隱式方法對彎曲荷載和干濕交替下氯離子傳輸的對流-擴散方程進行了數值求解。CHEN等［12］考慮荷載、飽和度、相對濕度和溫度等因素，基于應力水平的等效函數，建立了在荷載作用下非飽和混凝土的氯離子擴散數值模型，并對其進行了分析。ZHANG 等［13］基于多孔介質理論和等效均質化，建立了應力作用下氯化物傳輸有效擴散變量系數模型，并對其進行數值分析。在這些研究中，未考慮干濕交替環境中鋼筋對氯離子傳輸的影響。因此，為明確鋼筋混凝土中的鋼筋對干濕交替作用下在混凝土中氯離子傳輸規律的影響，本研究擬考慮鋼筋阻擋效應，建立干濕交替作用下鋼筋混凝土結構的氯離子對流傳輸模型，并通過試驗驗證該模型的適用性?；诙S細觀混凝土模型，研究氯離子在非飽和混凝土細觀尺度上的傳輸規律，并進行參數分析。

1 鋼筋混凝土結構細觀模型研究

1.1 氯離子對流擴散方程

氯離子對流擴散方程包含氯離子和水分擴散，其表達式為：

式中：C(x，t)為t時間內侵蝕深度為x時的氯離子含量；x為侵蝕深度，mm；t為侵蝕時間，s；s(x，t)為t時間內侵蝕深度為x時的水分飽和度；Dcl為混凝土中氯離子擴散系數，m2/ s；Dco為水分擴散系數，m2/ s。

混凝土中氯離子擴散系數主要包括水泥漿體和界面過渡區中氯離子擴散系數，而骨料中氯離子擴散的影響可以忽略不計。其中，水泥漿體和界面過渡區的氯離子擴散系數分別用Dcp和Ditz表示，相關計算方程式為式（2）；水分擴散系數主要包括濕潤狀態下的水分擴散系數Dco_w和干燥狀態下的水分擴散系數Dco_d，用方程式（3）進行表達［14］。

式中：φ為水泥漿體基質的孔隙率，具體計算方式見文獻［15］；ditz為界面過渡區厚度，μm。

式中：Dco_w0為完全干燥狀態下的水分擴散系數，m2/s；Dco_d0為飽和混凝土的水分擴散系數，m2/s；s為水泥漿體的水分飽和度；sc為Dco_w0/2=0.5 時的水分飽和度，其值取0.75～0.98。

1.2 鋼筋的阻擋效應

鋼筋前沿區域的氯離子含量較無鋼筋混凝土同深度區域的氯離子含量大，在實際工程中鋼筋的阻擋效應不可忽視［16-17］，針對這一情況，氯離子擴散系數應考慮鋼筋相鄰區域的影響，具體計算式為：

式中：Dcp（r）受鋼筋影響的水泥漿體氯離子擴散系數；xl為擴散方向距離鋼筋的直線距離；dr為鋼筋直徑，mm；x1為擴散方向距離鋼筋的直線距離，如圖1所示，取16～20 mm。

同理，受鋼筋影響的界面過渡區氯離子擴散系數Ditz（r）=Dcp（r）（139.434/ditz+1）。

水泥漿體基質的氯離子擴散系數具有時間衰減性，其表達式為：

式中：Dcp(t)和Dcp(r)(t)分別為在考慮時間衰減性情況下不受鋼筋影響的和受鋼筋影響的水泥漿體基質的氯離子擴散系數，m2/ s；tref為養護齡期，d；t為侵蝕時間，s；m為時間衰減系數，本研究m取0.65［1］。

根據式（5），得到在考慮時間衰減性情況下受鋼筋影響和不受鋼筋影響的界面過渡區氯離子擴散系數。干濕交替作用下混凝土結構水分和氯離子的初始條件和邊界條件分別見式（6）和式（7）。

1） 初始條件。

2） 邊界條件。

a） 濕潤狀態。

b） 干燥狀態。

式中：s(x，0)為t= 0 時，混凝土內的水分飽和度；C(x，0)為t= 0 時，混凝土氯離子濃度；C(0，t)為x= 0 時混凝土氯離子濃度；s1(0，t)和s2(0，t)分別為x= 0 時濕潤和干燥狀態下混凝土的水分飽和度；s1為初始狀態下混凝土中的水分飽和度；C0為初始狀態下混凝土的氯離子含量；Cs為表面氯離子含量；s2為濕潤狀態下混凝土的表面水分飽和度；s3為干燥狀態下混凝土的水分飽和度；?C和?s分別為?2C(x，t)/?2x和?2S(x，t)/?2x。

2 模型的驗證

2.1 模型參數

本研究采用文獻［18］的氯離子侵蝕試驗數據進行模型驗證，試驗試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，內置4根直徑為14 mm的HRB335縱筋，保護層厚度為25 mm，如圖2所示?；炷恋呐浜媳纫姳?。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion kg

圖2 試驗梁模型（單位：mm）Fig. 2 Experiment beam model（unit：mm）

通過無應力狀態下鋼筋混凝土跨中橫截面的氯離子含量來表征試驗模型中的氯離子傳輸規律，其中，箍筋的影響忽略不計［19］。本研究選取試驗梁跨中橫截面，采用文獻［1］的隨機骨料生成方法，生成鋼筋混凝土結構二維隨機骨料模型，骨料界面過渡區厚度取30 μm，而水泥漿體基質采用1 mm×1 mm 的自由三角形網格進行有限元分析，如圖3 所示。對于鋼筋的影響區域，本研究x1取20 mm。

圖3 試驗梁有限元模型Fig. 3 Finite element model of experiment beam

本模型中，相關參數的設置見表2。

2.2 模型驗證

數值模擬結果與試驗結果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著干濕循環時間的增加，氯離子含量逐漸累積。此外，在侵蝕深度為5 mm處，氯離子含量并沒有明顯下降，這是鋼筋的阻擋效應所導致的，使得該區域的氯離子含量增加速度較為緩慢［19］。同時，從圖4還可以看出，氯離子含量的模擬曲線與實測數據吻合較好，表明：本傳輸模型可以有效地描述干濕交替作用下鋼筋混凝土結構的氯離子傳輸情況。

圖4 氯離子含量的試驗值與數值結果之間的比較Fig. 4 Comparison between test values and numerical results for chloride concentration

2.3 細觀狀態下的氯離子傳輸討論

基于本模型，可以模擬氯化物在不飽和混凝土中的輸運情況。采用如圖5 所示的A-A、B-B和CC三個截線進行氯離子含量和水分飽和度的隨機性和不均勻性分析。

圖5 鋼筋混凝細觀模型（單位：mm）Fig. 5 Reinforced concrete fine view model（unit：mm）

以360 d 的濕潤和干燥狀態的模擬結果為例，分析0～100 mm 擴散深度的氯離子含量分布，如圖6～7 所示。從圖6（a）可以看出，氯離子含量的峰值出現在表層。這與從宏觀角度得到的計算結果是一致的。然而，由于骨料周圍氯離子的局部積累，相同深度的氯離子含量分布并不均勻。在氯化物運輸過程中，會出現聚集體周圍流動的現象，因此，聚集體周圍的氯離子含量較高。此外，聚集體的隨機分布進一步加劇了氯離子含量分布的不均勻性，這種隨機分布特征在圖6（c）中可直觀描述?；炷聊Ｐ瓦吘墴o骨料，因此A-A段氯離子含量分布曲線平滑，骨料影響不大。B-B和C-C段位于混凝土內部，由于骨料的影響，氯離子含量的分布曲線不平滑，但波動很小。對于A-A部分，氯離子含量的峰值為0.532%，對流區擴散深度為3.632 mm；對于B-B部分，氯離子含量的峰值為0.536%，對流區擴散深度為3.432 mm；對于C-C部分，氯離子含量的峰值為0.541%，對流區擴散深度為3.31 mm。綜上所述，可能的原因是鋼筋結構的存在改變了原來細觀結構的組成，阻擋了相應區域的氯離子傳輸?？拷芯€區域的鋼筋混凝土結構由于兩側鋼筋阻擋效應的累加［22-23］，進一步抑制了氯離子擴散。隨著干濕交替時間的增加，氯離子含量峰值與對流區擴散深度逐漸降低。

圖6 濕潤狀態下氯離子含量和水分飽和度的分布Fig. 6 Distribution of chloride ion content and water saturation in the wet state

與氯離子含量的分布特征類似，相同深度孔隙中水分飽和度的分布也是不均勻的，如圖6（b）和圖6（d）所示。在圖6（b）中，水飽和度的梯度分布是無序的，因此不同部分的對流速率并不是恒定的。在圖6（d）中，不同區域的水分飽和度在緩慢減小。

在潤濕過程中，由于骨料阻礙水分滲透，混凝土中水分飽和度梯度的平衡過程減慢，對流的作用也在一定程度上減弱［24］。

在外部環境的干燥作用下，孔隙水會蒸發掉，這與干燥過程中的宏觀輸送機理類似。如圖7（a）所示，氯離子在對流和擴散的共同作用下，隨著水分蒸發而積聚在混凝土表面，因此表層氯離子含量較大，但隨著擴散深度的增加，氯離子含量迅速減少。如圖7（b）所示，水分飽和度隨著擴散深度的增加而增加。從圖7（c）和7（d）中可以看出，氯離子含量和水分飽和度的分布同樣受到骨料的影響。

圖7 干燥狀態下氯離子含量和水分飽和度的分布Fig. 7 Distribution of chloride content and moisture saturation in the dry state

3 參數分析

以鋼筋直徑分別為0、14 和16 mm、干濕時間比D/W分別為1∶1、2∶1 和7∶1 及混凝土內部溶液初始飽和度s1分別為0.1、0.5 和1.0 等主要參數進行敏感性分析。以A-A截線數據為例，總周期為360 d，結果如圖8所示。

圖8 不同參數條件下氯離子含量分布Fig. 8 Distribution of chloride ion content under different parameter conditions

從圖8（a）可以看出，普通混凝土的氯離子含量小于鋼筋混凝土的，而配有16 mm 直徑鋼筋的氯離子含量大于配有14 mm 鋼筋的。這表明鋼筋直徑越大，阻擋效果越明顯，氯離子含量增加也較快。

從圖8（b）可以看出，隨著干濕時間比的增加，混凝土內部各深度氯離子含量也在增加。在氯離子對流與擴散的綜合作用下，干燥時間越長，混凝土孔隙趨于排空，對流效應趨于明顯。隨著混凝土內部孔隙趨于飽和狀態，擴散作用加快直至內外溶液濃度達到平衡［25］。

從圖8（c）可以看出，初始飽和度對氯離子在混凝土不同深度的分布影響較大。當混凝土內部初始飽和度為0.1 時，混凝土內部氯離子含量峰值為0.605%，對流區深度為5.5 mm，相比于混凝土初始飽和度為0.5 的情況，對流作用較為明顯。當初始飽和度為1.0 時，由于氯離子傳輸主要依靠擴散，氯離子含量在達到峰值后下降較快。初始飽和度越小時，孔隙負壓越大，濕潤狀態開始時吸入的溶液迅速增加，促進對流效應［23］。

4 結論

1） 考慮鋼筋的阻擋效應，建立干濕交替作用下鋼筋混凝土中氯離子對流擴散模型，通過試驗驗證了該數值模型，發現其具有一定的適用性。

2） 在細觀模型中，隨著氯離子在混凝土中的積累，氯離子含量的峰值和位置會出現在表層。此外，骨料分布也會對混凝土中的氯化物輸送產生重大影響。

3） 相比于普通混凝土，鋼筋混凝土結構的氯離子含量較大，且隨著鋼筋直徑的增加而增加。干濕時間比的增加會加速氯離子在混凝土內的傳輸，而初始溶液飽和度越低，氯離子含量越高，且初始飽和度為0.1時，氯離子含量峰值達到了0.605%。