濱海混凝土浪濺區(qū)氯離子滲透特性模擬研究

韓 迅，關(guān)云飛，張 晨，朱 洵

(南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024)

濱海混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性長(zhǎng)期以來(lái)是工程技術(shù)人員十分關(guān)心的問(wèn)題，其中最常見(jiàn)的耐久性問(wèn)題為氯離子侵蝕。濱海混凝土結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)指的是最高潮水位以上受到海浪侵蝕的區(qū)域，在實(shí)際工程中，浪濺區(qū)邊界水分和氯鹽含量一直處于快速變動(dòng)過(guò)程中，如何計(jì)算強(qiáng)烈干濕循環(huán)作用下的氯離子滲透是結(jié)構(gòu)耐久性分析的重點(diǎn)之一[1]。常見(jiàn)的用于評(píng)估暴露在海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的方法可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ蚚2]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕贔ick定律；物理模型則主要基于質(zhì)量守恒方程的推導(dǎo)。在計(jì)算濱海混凝土浪濺區(qū)氯離子滲透時(shí)最常采用物理模型[3]，因?yàn)槲锢砟Ｐ椭械谋碛^擴(kuò)散系數(shù)可直接用公式方便地表達(dá)。對(duì)于浪濺區(qū)的邊界條件，則可以通過(guò)采用離子的正態(tài)分布特征、調(diào)整傳輸系數(shù)以及控制離子濃度等方式描述。本文采用有限元方法，基于DuCOM[4]離子滲透計(jì)算框架，對(duì)氯離子滲透影響因素和浪濺區(qū)滲透計(jì)算方法進(jìn)行了研究，可以為濱海混凝土在不同環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)耐久性防護(hù)提供一定參考。

1 氯離子滲透模型

1.1 分析框架

本研究采用的分析框架為DuCOM多場(chǎng)耦合有限元計(jì)算系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)由水泥水化模塊、微觀結(jié)構(gòu)模塊和氯離子傳輸模塊組成，其計(jì)算框架如圖1所示。混凝土中的氯離子輸運(yùn)機(jī)制可以由對(duì)流和擴(kuò)散解釋，其滲透本構(gòu)方程如公式(1)所示[6]。

(1)

式中：φ為孔隙率；S為孔隙水飽和度；CC l為自由氯離子含量，mol/L；JC l為通量，mol/(m2·s)；QC l為匯項(xiàng)，mol/(L·s)。

圖1 氯離子傳輸?shù)腄uCOM計(jì)算框架

1.2 邊界條件

氯離子從混凝土表面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳輸?shù)倪^(guò)程中一般認(rèn)為受到兩種基本機(jī)制[7]控制，第一種為擴(kuò)散，表示為式(2)；第二種機(jī)制為吸附機(jī)制，即由于材料對(duì)離子的吸附作用從而導(dǎo)致在表層單元內(nèi)的氯離子濃度比環(huán)境中的氯離子濃度稍高，因此將這一部分的氯離子濃度增大表示為qa式(3)：

qd=-EC l(CC l-Cs)

(2)

(3)

式中：qd為氯離子擴(kuò)散通量，mol/(m2·s)；EC l為表面?zhèn)鬏斚禂?shù)，取1.0×10-3m/s，Cs為環(huán)境氯離子濃度，mol/L；kC l為吸附系數(shù)，普通硅酸鹽水泥取1.5×10-3m/s[8]。

相關(guān)研究[9]表明上文給出的模型僅適用于浸沒(méi)條件下的傳輸計(jì)算，而在浪濺過(guò)程中，由于邊界濕度和氯離子含量隨時(shí)間處于不斷變化狀態(tài)，離子的傳輸特征也不斷變化，因此如何確定計(jì)算邊界是精確模擬浪濺條件下離子滲透的關(guān)鍵問(wèn)題之一。文獻(xiàn)[3]中通過(guò)設(shè)置動(dòng)態(tài)離子邊界模擬氯離子的滲透過(guò)程，但由于并未考慮水分隨時(shí)間的變化特征，因此其模擬和實(shí)際傳輸過(guò)程并不相符。本文將在Tang[3]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮離子和水分的時(shí)變規(guī)律，并給出下式以表達(dá)以下氯離子和濕度邊界的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如式(4)～式(5)：

(5)

圖2 邊界相對(duì)氯離子濃度和相對(duì)濕度變化曲線

2 試驗(yàn)方法

浪濺試驗(yàn)通過(guò)自動(dòng)噴淋NaCl溶液模擬浪濺區(qū)邊界特征，并在試驗(yàn)中將浪濺周期設(shè)置為2 h的，即每2 h噴淋一次，每次噴淋持續(xù)1 min，使得在試件噴淋表面形成薄層水膜。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示[10]。

表1 浪濺試驗(yàn)參數(shù)

3 有限元分析

圖3 氯離子滲透有限元模型

圖4顯示隨著w/c從0.65減小到0.50，60 d滲透深度從74 mm減小到25 mm，表層單元附近最大氯離子含量從4.0%減小到3.2%。這是由于隨著水灰比的減小，混凝土材料的孔隙率逐漸減小，減小了氯離子的擴(kuò)散和對(duì)流通量，因此其在孔隙中的傳輸速率減小，滲透深度和含量也隨之降低。

圖4 水灰比對(duì)氯離子滲透分布的影響曲線

圖5顯示對(duì)于水灰比為0.57的混凝土，滲透60 d后，不同邊界氯離子濃度(3%、6%、8%)條件下，最大滲透深度幾乎都為40 mm，區(qū)別主要在于不同深度處的氯離子含量，即邊界濃度越大，同一深度處的氯離子含量越大，且越靠近邊界，差異越明顯。

圖5 邊界濃度對(duì)氯離子滲透分布的影響曲線

圖6顯示在水灰比和邊界氯離子濃度一定時(shí)，滲透時(shí)間越長(zhǎng)，氯離子的最大滲透深度越大，同一深度處氯離子的含量也越大，且氯離子最大差值的位置在表層和最大深度之間，對(duì)比圖5和圖7可知，不同滲透時(shí)間導(dǎo)致的含量分布差異與不同水灰比導(dǎo)致的差異規(guī)律類似。

圖6 滲透時(shí)長(zhǎng)對(duì)氯離子滲透分布的影響曲線

圖7顯示隨著溫度的降低，氯離子的滲透深度和速率都逐漸減小，當(dāng)外界溫度從20℃降低到-20℃,滲透深度從40 mm減小到20 mm，說(shuō)明低溫對(duì)于氯離子的滲透速率具有較大抑制作用；表面附近的最大氯離子含量在不同溫度下差別不大，這是因?yàn)槿N溫度下的邊界氯離子濃度相同。

圖7 溫度對(duì)氯離子滲透分布的影響曲線

從以上計(jì)算和分析可推知，對(duì)于保護(hù)層厚度一定的濱海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，控制邊界氯離子濃度并不能很好地避免鋼筋受到氯離子的侵蝕，而減小混凝土水灰比和減少結(jié)構(gòu)受到海水侵蝕的時(shí)間，可以減小氯離子滲透深度，從而降低鋼筋受到侵蝕的可能性；另一方面，低溫可以減緩但并不能阻止氯離子的滲透，因此在寒區(qū)仍需要對(duì)氯離子侵蝕予以關(guān)注。

4 浪濺區(qū)滲透模擬

在恒定邊界模擬的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)離子和濕度邊界進(jìn)行浪濺條件下氯離子的滲透模擬，如圖8～圖10所示。

圖8 邊界濕度對(duì)浪濺區(qū)氯離子滲透的影響曲線

圖9 邊界濃度對(duì)浪濺區(qū)氯離子滲透的影響曲線

圖10 邊界類型對(duì)浪濺區(qū)氯離子滲透的影響曲線

圖8給出了采用6%邊界氯離子濃度和不同邊界濕度條件(Rhs=99.9%,90.0%,80.0%)模擬浪濺區(qū)滲透效果的結(jié)果，可以看出對(duì)于邊界直接采用實(shí)際噴淋的氯離子濃度的情況，當(dāng)邊界濕度條件取近似飽和99.9%時(shí)，模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值偏大，而降低濕度條件可以更好地模擬浪濺區(qū)氯離子滲透效果。當(dāng)濕度從99.9%降低到90.0%時(shí)，氯離子含量顯著降低；當(dāng)濕度從90.0%降低到80.0%時(shí)，氯離子含量變化很小。

圖9給出了通過(guò)將邊界氯離子濃度從6%降低到3%時(shí)的滲透模擬結(jié)果，可以看到相對(duì)于6%原濃度模擬，降低邊界離子濃度可以有效逼近真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，這說(shuō)明浪濺區(qū)的氯離子滲透某種程度上類似于低濃度滲透的效果。

圖10給出了采用動(dòng)態(tài)邊界模擬浪濺區(qū)氯離子滲透的結(jié)果，可以看到模擬結(jié)果相對(duì)于恒定6%濃度效果更好，但模擬結(jié)果和試驗(yàn)值之間仍存在偏差，即在靠近表面處偏小，而內(nèi)部偏大，這可能是因?yàn)椴捎脛?dòng)態(tài)邊界低估了表面氯離子濃度的累積效果，而采用的滲透系數(shù)公式在非飽和情況下可能高估了離子的傳輸速率[10]。

5 結(jié) 論

本文基于多場(chǎng)耦合有限元計(jì)算系統(tǒng)，將浪濺區(qū)氯離子滲透的邊界水分對(duì)流和浪濺頻率特征納入理論模型，針對(duì)濱海混凝土結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)氯離子滲透過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

(1)混凝土中氯離子含量主要受到邊界氯離子濃度、水灰比和滲透時(shí)間的影響，其中邊界氯離子濃度越大，表層氯離子含量越高，而對(duì)內(nèi)部氯離子濃度影響較小。

(2)降低邊界濕度和氯離子濃度可以近似模擬浪濺區(qū)氯離子滲透的效果，且隨著邊界濕度的降低，濕度變化對(duì)氯離子滲透速率的影響迅速減小。

(3)采用動(dòng)態(tài)離子和濕度邊界可以較好地模擬浪濺區(qū)離子滲透過(guò)程，但需進(jìn)一步考慮浪濺條件下邊界離子的累積效應(yīng)。