混凝土中氯離子滲透的試驗(yàn)與細(xì)觀數(shù)值分析

金立兵 王珍 王振清 張慶章 梁新亞

摘 要：采用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從細(xì)觀角度研究了粗骨料含量、界面區(qū)和孔隙率等對(duì)混凝土中氯離子滲透性能的影響。通過氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定RCM試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)，分析了不同粗骨料含量、水膠比、孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系;通過編寫程序建立混凝土細(xì)觀隨機(jī)骨料模型，進(jìn)而對(duì)氯離子的擴(kuò)散性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了粗骨料含量和界面區(qū)等細(xì)觀參數(shù)對(duì)氯離子滲透擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明：數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，驗(yàn)證了細(xì)觀數(shù)值模型的有效性;氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨粗骨料含量的增加而降低;混凝土孔隙率隨水膠比的增加而增大，進(jìn)而增加混凝土的滲透性;混凝土的滲透性能隨著界面區(qū)厚度和界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)的增加而增大。

關(guān)鍵詞：氯離子;混凝土;粗骨料;孔隙率;水膠比;界面區(qū)

中圖分類號(hào)：TU528.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）06-0118-07

Abstract： Using a combination of experimental research and numerical simulation， the effects of coarse aggregate content， interface area， and porosity on the permeability of chloridion in concrete were studied from a mesoscopic perspective.Firstly， through the RCM chloridion diffusion coefficient rapid determination test and mercury injection test， the relationship between different coarse aggregate content， water-binder ratio， porosity and chloride ionization diffusion coefficient was analyzed; then a program was established to build a concrete meso-random random aggregate model. Furthermore， the numerical simulation of chloridion diffusion performance was conducted， and the effects of meso-parameters such as coarse aggregate content and interface area on the permeation and diffusion of chloridion were analyzed.The results show that the numerical simulation is in good agreement with the test results， verifying the validity of the meso-scale numerical model; the chloridion diffusion coefficient decreases with increasing coarse aggregate content; the concrete porosity increases with increasing water-binder ratio， and further Increase the permeability of concrete; the permeability of concrete increases with the thickness of the interface zone and the diffusion coefficient of the interface zone.

Keywords：chloridion; concrete; coarse aggregate; porosity; water-binder ratio; interface area

氯離子對(duì)混凝土的侵蝕可引起鋼筋銹蝕及結(jié)構(gòu)承載力降低，是海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因，因此，氯離子對(duì)混凝土的侵蝕已引起人們的高度重視[1-3]。混凝土是一種復(fù)雜的、非均質(zhì)的復(fù)合材料，在細(xì)觀上可以看成由砂漿、粗骨料、界面區(qū)組成的三相復(fù)合結(jié)構(gòu)，各組成部分的滲透性能各不相同[4]。因此，從細(xì)觀層次出發(fā)，研究氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸規(guī)律對(duì)混凝土耐久性設(shè)計(jì)以及壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。

在現(xiàn)有研究中，大多是將混凝土看成宏觀上的均質(zhì)材料，從細(xì)觀角度研究混凝土中氯離子傳輸性能的還比較少[5]。從細(xì)觀層次上研究氯離子在混凝土中的侵蝕規(guī)律，學(xué)者們已經(jīng)展開了一定研究，主要對(duì)粗骨料含量、粗骨料形狀特征、界面區(qū)厚度和界面區(qū)擴(kuò)散性能等方面進(jìn)行研究。吳靜新[6]從細(xì)觀層次研究了界面過渡區(qū)厚度、界面過渡區(qū)擴(kuò)散性能對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散滲透的影響。Zheng等[7]應(yīng)用加速試驗(yàn)研究了粗骨料長(zhǎng)細(xì)比對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響。虞愛平等[8]通過試驗(yàn)研究了混凝土中粗骨料及界面區(qū)對(duì)混凝土滲透性能的影響。周雙喜等[9]和李杰等[10]采用COMSOL軟件，研究了骨料含量和界面區(qū)體積對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響。Choi等[11]考慮骨料和界面區(qū)對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懀岢隽寺入x子擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型。

目前，采用試驗(yàn)與數(shù)值方法相結(jié)合，研究氯離子在混凝土細(xì)觀層面的擴(kuò)散性能還比較少。由于傳統(tǒng)的氯離子侵蝕試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，且試驗(yàn)研究難以對(duì)每一個(gè)參數(shù)的影響都展開精確研究，因此，筆者采用加速氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)和細(xì)觀上數(shù)值模擬方法相結(jié)合，分析了粗骨料含量、孔隙率、界面區(qū)厚度、界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)對(duì)氯離子滲透性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料及配合比

為了研究不同粗骨料含量、混凝土孔隙率和水膠比對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響，分別設(shè)計(jì)5組不同粗骨料含量試件、5組不同水膠比試件，進(jìn)行RCM試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5級(jí)，密度為3 060 kg/m3;細(xì)骨料為天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.63，表觀密度為2 739 kg/m3;粗骨料采用粒徑5～20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度為2 697 kg/m3;粉煤灰采用河南省鄭州市電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2 534 kg/m3;拌合用水采用自來水，密度為1 000 kg/m3，混凝土具體配合比如表1。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 試件制備

根據(jù)《混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》（CCES 01—2004）中的要求制作Φ100 mm×200 mm的圓柱體試件，成型24 h后脫模，移至養(yǎng)護(hù)水槽中（溫度20±2 ℃）養(yǎng)護(hù)21 d，然后切割成Φ100 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，并繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)水槽中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期28 d。

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28 d齡期后，進(jìn)行壓汞試樣制作，剔除混凝土中粗骨料，取大小約為1 cm3的水泥砂漿試樣，然后，放入無水乙醇中終止水化，最后，在烘箱中烘至恒重，放入密封袋密封等待壓汞測(cè)試。

1.2.2 RCM法測(cè)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

對(duì)制備好的待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行RCM試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程參見《混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》（CCES 01—2004），在進(jìn)行試件安裝之前，進(jìn)行120±20 s的超聲浴處理，然后將準(zhǔn)備好的試件安裝在RCM設(shè)備上。試驗(yàn)結(jié)束后，立即將試件在壓力試驗(yàn)機(jī)上沿直徑方向劈開，并噴涂0.1 mol/L AgNO3溶液，測(cè)量氯離子擴(kuò)散深度，并根據(jù)測(cè)量得到的氯離子擴(kuò)散深度計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

1.2.3 壓汞法測(cè)混凝土孔結(jié)構(gòu)

壓汞法是測(cè)定混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)特征的常用方法，該方法通過一定的外部壓力將液態(tài)汞壓入水泥砂漿孔隙中，根據(jù)孔徑與壓力之間的關(guān)系，得到混凝土孔徑分布規(guī)律以及孔體積大小。采用美國Micromeritics公司生產(chǎn)的Autopore IV9500型壓汞儀進(jìn)行壓汞測(cè)試，測(cè)試環(huán)境在恒溫25 ℃，濕度60%±5%環(huán)境下進(jìn)行，最大壓力227.53 MPa，可測(cè)量孔徑范圍為0.005～1 000 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粗骨料含量的影響

粗骨料含量對(duì)混凝土抵抗氯離子侵蝕作用主要有曲折效應(yīng)、稀釋效應(yīng)、界面效應(yīng)等，其中前兩種作用會(huì)降低氯離子傳輸，而界面效應(yīng)會(huì)加快氯離子的傳輸，因此，粗骨料含量的增加對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懯沁@幾種效應(yīng)的綜合作用[12]。5組（G-1、G-2、G-3、G-4、G-5）不同粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示，由圖1可見，隨著粗骨料含量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，當(dāng)粗骨料含量為60%時(shí)，此時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與純砂漿擴(kuò)散系數(shù)相比減少65.18%。這一結(jié)果表明，當(dāng)粗骨料含量增加時(shí)，曲折效應(yīng)和稀釋效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，使混凝土滲透能力降低。將試驗(yàn)測(cè)得的粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式（1），相關(guān)系數(shù)R2=0.973 4，不同粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系的擬合曲線如圖1所示。

2.2 不同水膠比及孔隙率的影響

從5組（S-1、S-2、S-3、S-4、S-5）壓汞試樣測(cè)試結(jié)果（圖2和圖3分別為孔徑與累計(jì)孔體積、孔徑與孔體積增量的分布關(guān)系）可以看出，隨著水膠比的增大，混凝土孔隙率不斷增加，而且從孔徑與孔體積增量的關(guān)系來看，孔體積在5～100 nm之間增量特別大，說明不同水膠比的混凝土孔徑多在5～100 nm之間分布。由壓汞試驗(yàn)得到砂漿孔隙率，根據(jù)粗骨料含量可以進(jìn)一步換算得到混凝土孔隙率，圖4是水膠比與混凝土孔隙率之間的關(guān)系，可以看出水膠比越大，混凝土孔隙率越大，二者有較好的相關(guān)性，將水膠比與混凝土孔隙率的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式（2），相關(guān)系數(shù)R2=0.977 4，不同水膠比與混凝土孔隙率關(guān)系的擬合曲線如圖4所示。

圖5為試驗(yàn)測(cè)得的水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系，從圖5可以看出，隨著水膠比的增大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，氯離子在混凝土中的滲透速度加快，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力降低。這主要是因?yàn)樗z比增加時(shí)，混凝土微觀孔隙增多，使氯離子傳輸通道增加，各孔徑連通的可能性也增大。將試驗(yàn)測(cè)得的水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系及孔隙率與水膠比的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式（3）、關(guān)系式（4），相關(guān)系數(shù)R2分別為0.989 1、0.978 3，不同水膠比及混凝土孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系的擬合曲線如圖5、圖6所示。

3 飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土中傳輸?shù)募?xì)觀數(shù)值研究

3.1 細(xì)觀模型建立

為了更加深入研究混凝土粗骨料含量、界面區(qū)厚度、界面區(qū)擴(kuò)散性能等一系列細(xì)觀參數(shù)對(duì)混凝土滲透能力的影響，從細(xì)觀角度出發(fā)，將混凝土看成由粗骨料、砂漿、界面區(qū)組成的復(fù)合材料，利用Matlab程序軟件，隨機(jī)生成粗骨料模型。以100 mm×100 mm二維隨機(jī)粗骨料模型為研究對(duì)象，由于粗骨料形狀對(duì)氯離子擴(kuò)散影響很小[13-14]，粗骨料形狀采用圓形。粗骨料粒徑范圍取5～20 mm，并在3個(gè)級(jí)配段（5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm）內(nèi)隨機(jī)生成，滿足Fuller連續(xù)級(jí)配。根據(jù)已有研究結(jié)果[15]，界面過渡區(qū)厚度在0～100 μm之間，為簡(jiǎn)化研究和提高計(jì)算效率，取界面過渡區(qū)厚度為100 μm。分別生成粗骨料含量為0、0.15、0.3、0.45、0.6的隨機(jī)骨料模型，細(xì)觀隨機(jī)骨料模型如圖7所示，將生成的隨機(jī)粗骨料模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics有限元軟件，進(jìn)行參數(shù)輸入和網(wǎng)格劃分，圖8是模型有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果。

[6] 吳靜新. 混凝土內(nèi)氯離子傳輸模型及其數(shù)值研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2012.

WU J X. Modelling and simulation of chloride ions transmission in concrete [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2012.（in Chinese）

[7] ZHENG J J， ZHOU X Z， HUANG X F， et al. Experiment and modeling of the effect of aggregate shape on the chloride diffusivity of concrete [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2014， 26（9）： 04014048.

[8] 虞愛平， 呂海波， 韋克宇. 骨料及界面區(qū)對(duì)混凝土滲透性影響試驗(yàn)[J]. 混凝土， 2014（9）： 8-11.

YU A P， L H B， WEI K Y. Affect of aggregate and interfacial transition zone on the permeability of concrete [J]. Concrete， 2014（9）： 8-11. （in Chinese）

[9] 周雙喜， 韓震， 魏星， 等. 骨料含量和界面區(qū)體積對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2018， 21（3）： 351-357.

ZHOU S X， HAN Z， WEI X， et al. Influence of aggregate contents and volume of interfacial transition zone on chloride ion diffusion properties of concrete [J]. Journal of Building Materials， 2018， 21（3）： 351-357. （in Chinese）

[10] 李杰， 孔祥習(xí). 混凝土氯離子擴(kuò)散性能影響試驗(yàn)等效數(shù)值模擬[J]. 水利水電技術(shù)， 2018， 49（9）： 184-190.

LI J， KONG X X. Equivalent numerical simulation on experiment of influence from diffusion performance of chloride ion in concrete [J]. Water Resources and Hydropower Engineering， 2018， 49（9）： 184-190. （in Chinese）

[11] CHOI Y C， PARK B， PANG G S， et al. Modelling of chloride diffusivity in concrete considering effect of aggregates [J]. Construction and Building Materials， 2017， 136： 81-87.

[12] 孫國文， 孫偉， 張?jiān)粕?等. 骨料對(duì)氯離子在水泥基復(fù)合材料中擴(kuò)散系數(shù)的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)， 2011， 39（4）： 662-669.

SUN G W， SUN W， ZHANG Y S， et al. Influence ofaggregates on chloride ion diffusion coefficient in cement-based composite materials [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2011， 39（4）： 662-669. （in Chinese）

[13] FENG G L， LI L Y， KIM B， et al. Multiphase modelling of ionic transport in cementitious materials with surface charges [J]. Computational Materials Science， 2016， 111： 339-349.

[14] 朱戰(zhàn)偉， 霍立飛， 胡守旺， 等. 高性能混凝土氯離子滲透性細(xì)觀數(shù)值模擬[J]. 交通科學(xué)與工程， 2018， 34（2）： 18-25.

ZHU Z W， HUO L F， HU S W， et al. Mesoscopic numerical simulation of chloride ion permeability in high performance concrete [J]. Journal of Transport Science and Engineering， 2018， 34（2）： 18-25. （in Chinese）

[15] BASHEER L， KROPP J， CLELAND D J. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties： a review [J]. Construction and Building Materials， 2001， 15（2/3）： 93-103.

[16] 金瀏. 細(xì)觀混凝土分析模型與方法研究[D]. 北京： 北京工業(yè)大學(xué)， 2014.

JIN L. Study on meso-scopic model and analysis method of concrete [D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2014.（in Chinese）

（編輯 胡玲）