姬永生 馬會榮 蔣建華 王志龍 曾平

(1．中國礦業(yè)大學江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇徐州221008;2．中國礦業(yè)大學力建學院，江蘇徐州221008;3．河海大學土木與交通學院，江蘇南京210098)

在過去的幾十年間，國內外學者對于海工混凝土的研究大都以飽和混凝土作為耐久性研究的重點［1-2］，混凝土配合比設計和使用壽命的計算也大都是建立在氯離子在飽和混凝土中以擴散為主要機制滲入混凝土的假設之上，采用Fick定律描述鋼筋混凝土損傷失效過程［3-4］．但海工混凝土結構既有水下部分也有水上部分，結構耐久性與使用壽命的關鍵取決于最薄弱環(huán)節(jié)，如果將氯離子在飽和混凝土中單純發(fā)生Fick擴散機制的研究結果應用到同時存在多種劣化機制的潮差區(qū)、浪濺區(qū)以及大氣區(qū)等不飽和混凝土中，其風險可能會大大提高［5-6］．

雖然國內外學者已經開展了海洋潮汐環(huán)境混凝土耐久性的試驗研究［7-8］，并得出了干濕交替環(huán)境下氯離子的傳輸是以毛細管對流為主的定性認識，但歸集到使用壽命預測模型上還是套用Fick第二定律或改進的Fick定律［9-11］．由于氯離子毛細管對流傳輸?shù)闹饕卣魇锹入x子隨混凝土孔隙水流動，其驅動力是濕度梯度;而氯離子擴散的驅動力是濃度梯度．這樣，研究海洋環(huán)境中不同區(qū)位混凝土內的濕度分布特征，可以為判定混凝土表層氯離子的主要傳輸機制及影響深度提供依據(jù)，進而為建立與其主要傳輸機制相對應的氯離子傳輸速率模型奠定基礎．

文中對干濕交替環(huán)境下混凝土中的濕分布狀態(tài)變化過程進行了機理分析，并建立了海洋潮汐模擬試驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)研究海工工程混凝土中濕分布隨高程的變化規(guī)律和海洋環(huán)境中不同區(qū)位混凝土內水分的遷移機理，確定了海工工程混凝土水分遷移加劇的峰值位置和對應的加劇程度，為海工混凝土結構的耐久性設計和維護提供參考．

1 干濕交替過程混凝土內濕分布變化過程分析

干濕循環(huán)過程中混凝土中的水分遷移過程如圖1所示．在干濕循環(huán)之前，混凝土內部濕含量與大氣濕度相平衡，稱為平衡濕含量θe．循環(huán)過程中第一次濕潤時，混凝土直接從外界吸收水分，致使混凝土的絕對表面達到飽水，等于混凝土的飽和濕含量θs，而混凝土的內部濕含量較低，隨著濕潤時間的延長，混凝土內濕含量變化如圖1(a)中曲線11、12、1e所示，曲線1e為濕潤過程結束時的濕含量變化曲線，稱為臨界濕潤線．然后開始自然風干過程，混凝土表面的濕含量不斷降低，而內部水分由于仍存在外濕內干的濕度梯度，故水分仍會向內遷移，隨著風干時間的延長，混凝土內的濕含量變化如圖1(a)中曲線1'1、1'2、1'e所示，曲線 1'e為風干過程結束時的濕含量變化曲線，稱為臨界干燥線．

第i次循環(huán)的臨界濕潤線ie與前一次循環(huán)的臨界干燥線(i－1)'e間的面積為這一次濕潤過程的吸水量，稱為循環(huán)吸水量Qi;同一次循環(huán)的臨界濕潤線ie和臨界干燥線i'e間的面積(以臨界濕潤線在臨界干燥線的上部為正)為這一次風干過程的失水量，稱為循環(huán)失水量Si．在外界環(huán)境和干濕循環(huán)制度不變的情況下，如果風干過程始終處于恒速干燥階段，則每次風干過程的循環(huán)失水量為一定值．濕潤過程的吸水量與風干過程的失水量的差值為這一循環(huán)混凝土的殘余吸水量Wi，簡稱殘余吸水量．

在干濕循環(huán)初期，混凝土的每一次循環(huán)都將從外界環(huán)境吸收水分，混凝土的濕分布曲線不斷向內推進，以此類推，第2次循環(huán)濕潤和風干結束時混凝土濕含量分布如圖1(b)中曲線2e、2'e所示．隨著循環(huán)次數(shù)i的增加，Qi不斷降低，而Si則基本不變，所以Wi也隨著下降．若循環(huán)次數(shù)足夠多，Qi和Si將達到平衡，每次循環(huán)濕潤過程的吸水量在隨后的風干過程全部失去，Wi將等于0，最終混凝土內部濕含量也將達到穩(wěn)定，把此濕含量稱為穩(wěn)定濕含量θ0．假定系統(tǒng)第n次循環(huán)達到穩(wěn)定，此時的干濕循環(huán)狀態(tài)稱為穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)以后的每次循環(huán)，濕潤和干燥過程結束后混凝土的濕含量分布曲線均相同，如圖 1(c)中曲線 ne、n'e所示．

從圖1(c)可以看出，在干濕循環(huán)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，混凝土吸水和失水僅在混凝土表面一個有限的深度發(fā)生，大于這一深度，混凝土的濕含量將不隨干濕循環(huán)過程而變化，始終等于θ0，這個深度稱為濕傳輸影響深度L，對應于濕潤線和干燥線交點，濕傳輸影響深度的存在與否是判斷氯離子在混凝土中的傳輸是否遵循擴散機制的重要依據(jù)．圖1(c)中濕傳輸影響深度范圍內濕潤線和干燥線間的圖形面積為一次濕干循環(huán)的吸水量．

Qi的大小取決于單次濕潤時間twi和干濕時間比σ，twi越短，σ 越大，Qi越小;如果 σ 足夠小，第1次循環(huán)濕潤過程的吸水量Q1在隨后的風干過程全部失去，即第1次循環(huán)就達到了穩(wěn)定狀態(tài)，此時的θ0等于θe．

2 混凝土中濕分布狀態(tài)變化過程

采用中國礦業(yè)大學自行設計的海洋潮汐模擬試驗系統(tǒng)進行試驗．該系統(tǒng)位于室外自然環(huán)境暴露場，試驗時間為20090601—20090831，為期3個月．

圖1 干濕循環(huán)過程中混凝土濕含量變化Fig．1 Moisture content variation in concrete under drying-wetting cycle

2．1 海洋潮汐模擬試驗系統(tǒng)的設計

本研究通過雙水池雙水泵互抽水潮汐模擬試驗系統(tǒng)實現(xiàn)對海洋環(huán)境的模擬(如圖2所示)．

圖2 海洋環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)及混凝土柱Fig．2 Experiment system of simulating marine environment and concrete columns

2．1．1 漲落潮制度的確定

基于實際潮汐變化規(guī)律［12］，認為在相鄰高、低潮之間潮高的變化是一簡單的余弦曲線［13］．本研究中水泵采用間歇性工作制度，用折線近似取代余弦曲線，A、B兩水池的漲落潮制度如圖3所示，每24h循環(huán)1次．圖2(b)中 L1、L2、…、L7為每次抽、蓄水所對應的水位線．

圖3 水池的漲落潮制度Fig．3 Regulation of flood and ebb tides in pools

2．1．2 浪濺區(qū)和大氣區(qū)設計

在水池A(或B)漲潮達到最高水位時，向試驗用混凝土柱上劃定的浪濺區(qū)域進行人工潑水來模擬浪濺區(qū)混凝土的濕潤過程，頻率為1次/min，持續(xù)時間為30min．

通過空氣加濕器向混凝土柱的指定區(qū)域噴鹽霧來模擬實際海洋環(huán)境的大氣區(qū)，加濕器中鹽水的濃度和水池中的相同，出氣口距混凝土表面20cm．

浸泡區(qū)(水下區(qū))、潮差區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)區(qū)位劃分見圖2(b)．水池中的侵蝕溶液為5%(質量分數(shù))的NaCl水溶液．

2．2 試件制作

測試試件為6根250mm×200mm×1500mm的普通混凝土柱，其編號和具體尺寸見圖2(a);混凝土強度等級為C25，標準養(yǎng)護28d后，除留下一個側面外，其余表面用環(huán)氧樹脂予以密封;7 d后放入水池進行海洋環(huán)境氯離子侵蝕模擬試驗．

2．3 混凝土粉末的取樣過程

在試驗系統(tǒng)的第90次循環(huán)開始之初，用混凝土沖擊鉆由表及里分別鉆取水池A中混凝土柱大氣區(qū)K9、浪濺區(qū)K8以及水池B中混凝土柱潮差區(qū)K2不同深度處的粉末，區(qū)位劃分及取樣位置如圖2(b)所示，待取樣結束后迅速用摻有微膨脹劑和速凝劑的水泥凈漿將鉆孔密封．

在系統(tǒng)經歷第90次循環(huán)過程中，水池A中水位不斷下降，而相對應的水池B中水位則不斷上升．當水池A中水位下降和水池B中水位上升至圖2(b)中的水位線時，分別鉆取對應潮位段混凝土柱不同深度處的粉末試樣．

當系統(tǒng)第90次循環(huán)運行至水池B中水位升至最高水位線時，鉆取水池B中混凝土柱浪濺區(qū)K8、大氣區(qū)K9不同深度處的混凝土粉末試樣．與此同時將A池中的水排空，由表及里鉆取水池A中混凝土柱浸泡區(qū)K1不同深度處的混凝土粉末試樣．待取樣結束后恢復潮汐循環(huán)的繼續(xù)運行．

2．4 混凝土粉末的取樣方法

每根柱子的每個設定高程處鉆4個孔，鉆頭直徑18mm，取樣范圍:0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20mm、20～25mm、25～30mm、30～40mm、40～50mm、50～60mm．在每個取樣范圍(如15～20mm，則從15mm深鉆至20mm深)，用藥匙在對應的深度范圍刮取粉末試樣0．5～1．0 g，然后用毛刷和氣泵將孔內殘留粉末清理干凈，依次鉆取下一深度范圍試樣．由于單孔所取粉末試樣較少，將4個鉆孔同一取樣深度范圍的粉末試樣收集在一起，按照2．5節(jié)的方法測定混凝土濕含量．

2．5 混凝土濕含量的測定

在鉆取粉末試樣時，將電子分析天平(精度0.0001g)放于水池邊，粉末鉆取后立刻用天平稱取其初始質量M0，然后將其在105℃的烘箱中干燥24h，稱取其干燥質量Mg，混凝土濕含量w的計算公式為

3 試驗結果及分析

3．1 海洋環(huán)境中不同區(qū)位混凝土的濕分布

第90次潮汐過程中不同區(qū)位混凝土的濕含量分布如圖4所示．由圖4(a)可見，在第90次循環(huán)過程中，漲潮結束時和落潮開始時大氣區(qū)混凝土內的濕含量分布均波動不大，且基本重合．由前述分析可知，其穩(wěn)定濕含量和平衡濕含量(0．04%)相等，這表明對于有遮蔽的處于穩(wěn)定海洋大氣環(huán)境中的混凝土，其內外的濕含量分布較為均勻，濕分布影響深度為0．

圖4 第90次循環(huán)混凝土試塊橫斷面的濕含量分布Fig．4 Moisture distribution of concrete cross section at 90th cycle

由圖4(b)可見，在干濕循環(huán)的浪濺區(qū)，混凝土表層在干濕交替過程中濕含量變化較大，混凝土試塊表層0～5 mm處濕含量最低為0．041%、最高為0．078%，濕含量減少量占最大濕含量的47%，濕分布影響深度L≈20mm，其內部的穩(wěn)定濕含量θ0等于大氣相平衡的濕含量θe(0．04%)，這是由于浪濺區(qū)的干濕時間比較大(σ8=48∶1)，每次循環(huán)浪濺吸收的水分在下一次高潮位到來前已全部失去．

由圖4(c)可知，干濕交替過程中潮差區(qū)最高水位K7處混凝土表層濕含量變化也較大，在第90次循環(huán)過程中，該位置0～5 mm深度范圍的濕含量最大為0．087%、最小為0．040%，濕含量減少量占最大濕含量的54%，濕分布影響深度L≈30mm，其內部的穩(wěn)定濕含量θ0=0．042%，和平衡濕含量(0．04%)較為接近;潮差區(qū)最低水位K2位置在第90次循環(huán)過程中，表層0～5mm處濕含量最大為0．110%、最小為0．102%，濕含量減少量占最大濕含量的7%，濕分布影響深度L≈5～10 mm，其內部的穩(wěn)定濕含量 θ0=0．102%;第 90 次循環(huán)結束后 K2、K3、K4、K5、K6、K7位置處混凝土試塊橫截面濕含量分布見圖4(c)－(h)．

由圖4(i)可以看出，浸泡區(qū)K1混凝土橫斷面的濕含量較為穩(wěn)定，在第90次循環(huán)過程中，漲潮結束時和落潮開始時混凝土內的濕含量分布曲線均為水平線，且基本重合．這表明對于浸泡區(qū)的混凝土，其內外的濕含量分布較為均勻，混凝土由表至里沒有濕度梯度，濕分布影響深度為0．和大氣區(qū)不同的是，混凝土內穩(wěn)定濕含量較高，達到飽水狀態(tài)．

3．2 海洋環(huán)境中不同區(qū)位混凝土中濕分布狀態(tài)分析

根據(jù)上述試驗研究可以得出海洋潮汐過程海工工程不同區(qū)位混凝土中濕分布狀態(tài)，如圖5所示．由圖5可見，海工工程混凝土在經歷干濕交替的潮汐過程中，混凝土內部的濕含量將逐步達到穩(wěn)定．在外界環(huán)境不變的條件下，水下區(qū)混凝土的穩(wěn)定濕含量θ0最大，等于混凝土的飽和濕含量θs;大氣區(qū)和浪濺區(qū)混凝土的穩(wěn)定濕含量θ0最小，等于平衡濕含量θe;潮差區(qū)混凝土的穩(wěn)定濕含量θ0介于飽和濕含量θs和平衡濕含量θe之間，隨高程的增大而降低．由此可以得出混凝土內穩(wěn)定濕含量隨高程的變化規(guī)律，如圖6所示．

圖5 干濕循環(huán)條件下混凝土內水分輸運過程示意圖Fig．5 Water transport sketch in concrete under drying-wetting cycles

混凝土內濕分布影響深度和循環(huán)吸水量隨高程的變化規(guī)律如圖7所示．從圖7可以看出，混凝土表層的L和Qi均隨著干濕時間比σi的不同(即不同區(qū)位)而變化，兩者隨高程的變化規(guī)律基本相同．隨著高程的增長，干濕時間比變大，L和Qi也隨之增大，在浪濺區(qū)和潮差區(qū)的交界處，L和Qi均達到最大值;此后，隨著高程和干濕時間比的進一步提高，L和Qi轉而下降．由于濕傳輸影響深度是氯離子受對流作用控制的深度，在浪濺區(qū)和潮差區(qū)的交界處，濕傳輸影響深度最大，氯離子侵蝕速率沿高程分布也在此達到最大值，所以應將該區(qū)域作為耐久性設計和維護的關鍵部位．

圖6 混凝土穩(wěn)定濕含量隨高程的變化規(guī)律Fig．6 Variation of stable moisture content distribution along elevated altitude

圖7 濕分布影響深度和循環(huán)吸水量隨高程的變化規(guī)律Fig．7 Variation of moisture distribution influencing depth and mass of water cycling absorbed along elevated altitude

4 結論

(1)對干濕循環(huán)過程混凝土中濕分布狀態(tài)變化進行了機理分析，提出了穩(wěn)定濕含量和濕傳輸影響深度的概念．分析表明，在干濕循環(huán)初期，混凝土的濕分布曲線不斷向內推進，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)吸水量和循環(huán)失水量將逐漸達到平衡，混凝土內部濕含量也將達到穩(wěn)定．

(2)設計了雙水池雙水泵互抽水海洋潮汐模擬試驗系統(tǒng)，進行了海洋環(huán)境不同區(qū)位混凝土內的濕分布變化規(guī)律試驗研究．研究表明:處于穩(wěn)定海洋大氣環(huán)境中的混凝土，其內外的濕含量分布較為均勻，濕分布影響深度為0，其穩(wěn)定濕含量為平衡濕含量;在浸泡區(qū)，混凝土處于飽水狀態(tài)，濕分布影響深度為0，其穩(wěn)定濕含量等于飽和濕含量;在干濕循環(huán)的浪濺區(qū)，存在一定的濕分布影響深度，但由于干濕時間比較大，每次循環(huán)浪濺吸收的水分在下一漲潮前已全部失去，其內部的穩(wěn)定濕含量等于大氣相平衡的濕含量;在干濕循環(huán)的潮差區(qū)，其穩(wěn)定濕含量介于飽和濕含量和平衡濕含量之間，隨高程的增大而降低．同時其濕傳輸影響深度隨著外界環(huán)境條件和干濕時間比的不同而變化，隨著高程的增長，干濕時間比變大，濕傳輸影響深度也隨之增大，在浪濺區(qū)和潮差區(qū)的交界處(潮差區(qū)的高潮位)，濕傳輸影響深度達到最大，氯離子的傳輸速率最快，該區(qū)域應作為混凝土結構耐久性設計和維護的關鍵部位．

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