濱海飽和混凝土中氯離子傳輸行為的細觀模擬研究

胡守旺，龍永康，符峰源，孫穩石，鄭愚

（1.東莞理工學院 生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808；2.東莞市城建規劃設計院，廣東 東莞 523000）

在濱海和海洋環境中，氯離子的侵蝕導致鋼筋的銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性和安全性的主要因素之一。國內外對氯離子侵蝕下結構的安全開展了許多研究［1-5］，但這些研究主要將混凝土視為均質材料，忽略了混凝土細觀組成對氯離子傳輸行為的影響，造成濱海環境下混凝土結構耐久性評估存在不足。在細觀層次上，混凝土可看作由漿體和骨料組成的二相模型［6］或由漿體、骨料和界面過渡區組成的三相模型［7-8］。一些學者建立了考慮漿體、骨料和界面過渡區的三維模型［9］，研究氯離子在混凝土中的細觀傳輸規律，并驗證了該氯離子傳輸細觀三維模型應用于濱?；炷两Y構耐久性評估的可行性。因此，本研究針對濱海區域飽和鋼筋混凝土中的氯離子傳輸，擬建立考慮不同配合比且含有漿體、骨料和界面過渡區厚度的鋼筋混凝土二維細觀模型，分析不同界面過渡區厚度對氯離子擴散行為的影響，計算氯離子在一維和二維擴散時的濃度，并將計算結果與試驗結果進行對比，分析不同水灰比和水化度對氯離子擴散的影響，以期為在海岸環境下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋初始銹蝕時間進行預測提供參考。

1 細觀模型的建立

1.1 骨料

WALRAVEN［10］基于Fuller 曲線，推導出試件任意截面平面內骨料直徑D＜D0的概率Pc，其計算公式為：

式中：D0為篩孔直徑，mm；Dmax為最大骨料直徑，mm；Pk為骨料體積占混凝土總體積的百分數，%。

本研究D0分別取5、12、18 和22 mm?；诒?的混凝土配合比，利用公式（1）計算得到不同粒徑的骨料概率，也可以計算得到相應圓形粒徑骨料的數量。本研究中骨料形狀為圓形，其粒徑分別取8、15和20 mm，圖1是不同水灰比的骨料網格圖。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg

圖1 骨料網格Fig. 1 Mesh of the random aggregates

1.2 氯離子擴散方程

式中：Cx為t時刻與混凝土曝露面的距離為x處的氯離子濃度；DCL為氯離子擴散系數。

假設氯離子在混凝土中各個方向的擴散系數相同，氯離子二維滲透下的擴散方程為：

式中：Cx，y為t時刻距離混凝土相鄰兩個暴露面的距離分別為x和y處的氯離子濃度。

當考慮混凝土細觀組成對水分和氯離子傳輸過程的影響，需要分別確定漿體、骨料和界面過渡區水分和氯離子擴散系數。對于擴散系數，ZHENG等［11］提出水泥漿體氯離子擴散系數Dcp，計算式為：

式中：φ為漿體孔隙率。

φ的計算式為：

式中：α為水化度，其值為0.8；w/c為水灰比。

后來有些婦女開始說，這是全鎮的羞辱，也是青年的壞榜樣。男子漢不想干涉，但婦女們終于迫使浸禮會牧師—-愛米麗小姐一家人都是屬于圣公會的-—去拜訪她。訪問經過他從未透露，但他再也不愿去第二趟了。下個禮拜天他們又駕著馬車出現在街上，于是第二天牧師夫人就寫信告知愛米麗住在亞拉巴馬的親屬。

PAN 等［12］對文獻［13］的試驗數據做回歸分析，得到界面過渡區擴散系數與水泥漿體擴散系數和過渡區厚度的數量關系，其表達式為：

式中：DITZ是界面過渡區氯離子擴散系數；TITZ是界面過渡區厚度。

1.3 界面過渡區厚度分析

目前，一般認為混凝土內骨料真實界面過渡區的厚度為30～80 μm［14］。本研究選擇界面過渡區的厚度分別為0、50和80 μm，計算相同深度下氯離子濃度分布規律。模型表面氯離子濃度為0.50 % （占混凝土質量比），侵蝕時間為2 a。通過計算，得到深度為30 mm，寬度為150 mm處的氯離子濃度分布規律。將不同界面過渡區厚度的計算結果與只考慮混凝土漿體的模型計算結果進行對比，結果如圖2所示。

圖2 氯離子濃度分布Fig. 2 Profiles of chloride concentration

從圖2 可以看出，相同深度處氯離子濃度的變化差異較大，表明骨料對氯離子在混凝土中擴散的影響不可忽略?？紤]了界面過渡區的細觀模型計算得到的氯離子濃度大于不考慮界面過渡區的氯離子濃度，表明界面過渡區對氯離子擴散的影響顯著。從圖2還可以看出，當界面過渡區厚度從50 μm增加到80 μm時，二者的濃度相差小于1%。因此，在分析和計算氯離子濃度時，界面過渡區厚度可取為80 μm。這樣既可有效減小模型大小，也能有效節約計算時間，同時不會影響計算精度。

2 試驗驗證

本模型采用文獻［15］氯離子侵蝕試驗數據進行驗證，試驗試件為150 mm × 150 mm× 150 mm 的立方體試塊，混凝土配合比見表1。試件制作完成后標準養護28 d。試件原材料選擇P·O 42.5 R 級水泥，細骨料采用中砂，粗骨料采用碎石，其粒徑范圍為5～22 mm。

試驗中，每一個配合比均制作3個標準試件，氣候箱溫度和濕度分別設置為25 ℃和95 %，利用質量濃度為0.50%的NaCl 溶液產生鹽霧，試驗持續時間為30 d，一維擴散只暴露一個面，二維擴散暴露相鄰的兩個面，未擴散面均涂上環氧樹脂以隔絕氯離子的滲透。試驗完成后，用鉆孔機在擴散面內取樣，按照每5 mm取一層，取樣深度為30 mm，取樣點個數為4個，將每個點每次取得的粉末進行混合，以減小骨料分布的離散性，試驗使用快速氯離子濃度測試儀對已經取樣的粉末進行氯離子濃度測試。

本細觀模型計算值與試驗結果如圖3所示。從圖3 可以看出，細觀模型計算值與試驗結果吻合較好，表明：本細觀模型的計算結果是可靠的。

圖3 計算值與試驗值對比Fig. 3 Comparison between simulated and experimental values

3 模型參數分析

在細觀模型中，氯離子擴散系數主要影響參數為水灰比w/c和水化度α。針對水灰比w/c分別為0.4、0.5、0.6 和水化度α分別為0.7、0.8、0.9 的情況，探討了它們對氯離子擴散性能的影響。其他計算參數為：界面過渡區厚度為80 μm，表面氯離子濃度為0.50%，氯離子濃度計算位置如圖4所示。

圖4 氯離子濃度計算位置Fig. 4 Simulated position for chloride concentration

3.1 水灰比影響

從圖5可知，在相同條件下，氯離子擴散性隨著水灰比的增大而增強。因此，降低混凝土的水灰比可以顯著提高混凝土的抗氯離子擴散的能力。

圖5 水灰比對氯離子擴散影響Fig. 5 Influence of the w/c on chloride diffusivity

3.2 水化度影響

不同水化度下的氯離子在不同水灰比混凝土中濃度分布曲線，如圖6 所示。從圖6 可以看出，在相同水灰比同一深度處，水化度越高，氯離子濃度越低，即混凝土抗氯離子擴散性能越高，因此，提高混凝土的水化度也是提高混凝土抗氯離子擴散能力的重要手段之一。

圖6 水化度對氯離子擴散影響Fig. 6 Influence of the degree of hydration on chloride diffusivity

從圖5～6可以看出，水灰比和水化度對氯離子傳輸性能具有直接影響，原因在于水灰比和水化度對混凝土的微觀孔隙和整體孔隙率起決定作用。因此，降低水灰比和提高水化度，可有效提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能。

4 鋼筋初始銹蝕時間

基于不同水灰比的細觀模型，計算保護層厚度C分別為50、60 mm 時的鋼筋表面不同點在一維和二維擴散時的氯離子濃度。鋼筋的位置和計算點如圖7所示。Point 1和Point 3是距離兩個暴露面最近的位置，Point 2 位于鋼筋的表面，介于Point 1 和Point 3之間。當鋼筋表面的任一點濃度達到臨界氯離子濃度時，就認為鋼筋開始銹蝕，而對應的時間即為鋼筋的初始銹蝕時間。

圖7 鋼筋位置示意Fig. 7 Diagram of steel reinforcement location

離海岸線越近，大氣中氯離子濃度越高，MCGEE 等［13］調查了澳大利亞1 158 座實橋表面的氯離子濃度，分析得到橋梁混凝土表面的氯離子濃度與海岸線距離的平均值之間存在以下關系：

式中：Cs(d)為距海岸線距離為dkm 處混凝土表面氯離子濃度，可以用單位質量混凝土所含的氯離子質量來表示。

本研究模擬近海岸線環境，表面氯離子濃度為0.127%，文獻［16］也給出引起鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度Ccr，通過大量數據分析得出其濃度值介于0.078%和0.085%之間，平均值為0.082%。因此，本研究取臨界氯離子濃度為0.082%作進一步分析。

鋼筋混凝土結構中的鋼筋在不同條件下的初始銹蝕時間如圖8 所示。從圖8 可以看出，在相同條件下，一維擴散下鋼筋的初始銹蝕時間是二維擴散下鋼筋的初始銹蝕時間的2.31～3.24倍。因此，對于角部鋼筋，只考慮氯離子的一維擴散的計算結果偏保守，當保護層厚度從50 mm增加到60 mm時，一維擴散時，水灰比為0.4、0.5 和0.6 的混凝土中鋼筋的初始銹蝕時間分別延長28.00%、10.90%和18.50%，而二維擴散時，初始銹蝕時間則分別延長52.42%、7.45%和56.65%。因此，在設計時，適當增大保護層厚度對延長鋼筋的初始銹蝕時間的作用顯著。

圖8 鋼筋開始銹蝕時間Fig. 8 Corrosion initiation time of the steel reinforcement

5 結論

1） 在細觀模型中，不考慮界面過渡區計算的氯離子濃度值小于考慮界面過渡區的計算值，表明：對氯離子擴散的細觀模擬中須考慮界面過渡區。在細觀模型中，界面過渡區厚度的建議值為80 μm。

2） 細觀模型對氯離子濃度擴散的計算值與試驗值吻合較好，表明：本混凝土細觀模型的可靠性和適用性均較高。對模型參數進行分析，發現氯離子擴散性隨著水灰比的增大而增強，而隨著水化度的增大氯離子擴散性反而降低。

3） 在相同條件下，氯離子進行一維擴散時的鋼筋初始銹蝕時間是氯離子二維擴散時的2.31～3.24倍。當保護層厚度從50 mm 增加到60 mm，且為一維擴散時，水灰比分別為0.4、0.5 和0.6 的鋼筋混凝土的初始銹蝕時間分別延長28.00%、10.90%和18.50%；二維擴散時，初始銹蝕時間則分別延長52.42%、7.45%和56.65%。