劉鵬，伍軍，陳穎，楊開(kāi)屏，呂道鋒，范宇華，余志武1，，3

（1.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中國(guó)中鐵股份有限公司，北京 100039；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；4.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；5. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；6. 中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

氯鹽侵蝕是導(dǎo)致服役中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要因素之一?，F(xiàn)有研究多采用FICK 第二定律分析其對(duì)混凝土耐久性的影響［1-4］。然而，該模型涉及的混凝土表面氯離子含量和深度范圍尚未達(dá)成共識(shí)、合理的理論計(jì)算方法?，F(xiàn)有研究認(rèn)為混凝土表面氯離子含量服從廣義極值分布［5］、正態(tài)分布［6］和對(duì)數(shù)正態(tài)分布［7］等，且混凝土表面氯離子含量隨時(shí)間和高程不同而不同?；炷帘韺幽骋簧疃确秶鷥?nèi)的氯離子含量變化是多因素耦合作用的結(jié)果，該區(qū)域氯離子含量的峰值點(diǎn)可認(rèn)為是對(duì)流區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的分界點(diǎn)。峰值內(nèi)側(cè)氯離子傳輸以擴(kuò)散為主，峰值外側(cè)氯離子傳輸以毛細(xì)管作用為主?；炷帘砻媛入x子含量和深度的取值不同，可導(dǎo)致計(jì)算出的氯離子分布和擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)均存在很大差異。如何準(zhǔn)確確定混凝土表層氯離子含量與對(duì)流區(qū)深度，對(duì)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)和耐久性評(píng)估具有重要意義。

目前，針對(duì)混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度的研究成果主要基于實(shí)測(cè)值，缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。歐洲D(zhuǎn)uracrete標(biāo)準(zhǔn)［8］建議正常情況下的混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx為14 mm。許多學(xué)者［9-10］給出的對(duì)流區(qū)深度為20 mm 和8～10 mm。范宏等［11］通過(guò)探討青島某碼頭氯離子侵蝕曲線規(guī)律，指出相應(yīng)的對(duì)流區(qū)深度均值為15 mm。LI等［12］將水分影響深度直接視為混凝土表面氯離子對(duì)流區(qū)深度。實(shí)際工程中，Δx與結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、干濕循環(huán)時(shí)間比、混凝土自身特性和所受載荷等因素密切相關(guān)。然而，已有研究成果主要基于實(shí)測(cè)結(jié)果獲得，對(duì)于新建混凝土結(jié)構(gòu)，無(wú)法預(yù)知其值，測(cè)試精度的準(zhǔn)確性也會(huì)影響Δx的預(yù)測(cè)值。因此，本研究擬通過(guò)構(gòu)建混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型，研究氯鹽環(huán)境中的混凝土表層氯離子變化規(guī)律和混凝土表層內(nèi)部水分影響深度變化規(guī)律，探討自然環(huán)境中混凝土表層氯離子含量隨高程、距海邊水平距離和時(shí)間的變化規(guī)律，擬合出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系模型，為混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕研究和耐久性評(píng)估提供參考。

1 理論分析

1.1 混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型

混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度一直是氯鹽環(huán)境中混凝土耐久性研究的焦點(diǎn)。CASTRO 等［13］根據(jù)暴露混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子分布，將氯離子分布劃分為表層干濕變動(dòng)區(qū)（對(duì)流區(qū)）和內(nèi)部潮濕區(qū)，并認(rèn)為這種分布與反復(fù)干濕循環(huán)作用和混凝土孔結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。外界氯離子通過(guò)混凝土孔隙傳輸進(jìn)入混凝土內(nèi)部，形成氯離子濃度梯度，導(dǎo)致混凝土中氯離子主要通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行傳輸。若假定氯離子在孔隙均勻分布的半無(wú)限混凝土中只進(jìn)行一維擴(kuò)散，濃度梯度僅沿著對(duì)流層內(nèi)部方向變化，且混凝土表面氯離子含量恒定。由FICK第二定律，可得氯離子在混凝土內(nèi)隨時(shí)間和空間分布的表達(dá)式為：

式中：Cx，t為暴露時(shí)間t混凝土內(nèi)深度為x處的氯離子含量，%；Cs為混凝土表面氯離子含量，%；C0為混凝土中的初始氯離子含量，%；t為暴露時(shí)間，s；x為距離混凝土表面的深度，m；Dapp為混凝土內(nèi)的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，m2/ s；Δx為混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度，m；erf（z）為高斯誤差函數(shù)。

由式（1）可知，確定混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx和對(duì)應(yīng)的氯離子峰值Cs對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)和評(píng)估具有重要意義。研究表明：干濕交替區(qū)的氯離子在距離混凝土表面某深度處通常會(huì)存在一個(gè)局部的峰值，該峰值出現(xiàn)的位置可視為氯離子對(duì)流區(qū)深度（簡(jiǎn)稱為對(duì)流區(qū)深度）。已有Δx的研究成果主要基于實(shí)際測(cè)量，并將測(cè)試結(jié)果帶入式（1）中進(jìn)行擬合求解，但該方法不適宜于新建或混凝土表層氯離子含量未達(dá)到穩(wěn)定的情況。由式（1）還可知，若假設(shè)混凝土氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)、混凝土內(nèi)初始氯離子含量和混凝土表層氯離子含量均為常數(shù)，則可通過(guò)測(cè)定混凝土內(nèi)部某深度x處不同時(shí)間的氯離子含量，可間接求解對(duì)流區(qū)深度Δx，其計(jì)算式為：

該方法存在耗時(shí)長(zhǎng)等且要求測(cè)量精度高，并且無(wú)法直接根據(jù)混凝土實(shí)體特性和其環(huán)境提前預(yù)估氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx。該方法雖為求解Δx增添了途徑，但無(wú)法克服必須進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等弊端。目前，針對(duì)準(zhǔn)確確定混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度的模型鮮見(jiàn)［14］。有研究基于水分影響深度模型和混凝土表層，對(duì)流區(qū)氯離子線性變化作出假設(shè)，構(gòu)建出混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型［15-16］。所構(gòu)建的氯鹽對(duì)流區(qū)深度模型，如圖1所示。

圖1 混凝土內(nèi)氯離子對(duì)流區(qū)深度模型Fig. 1 Model of chloride ion convective depth in concrete

假設(shè)在混凝土水分影響深度x0范圍內(nèi)氯離子變化規(guī)律為線性，外界氯鹽環(huán)境中的氯離子等效含量為常數(shù)Ce，氯離子對(duì)流區(qū)深度之內(nèi)的混凝土氯離子變化規(guī)律符合FICK 擴(kuò)散定律，對(duì)應(yīng)于x0處和混凝土氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx處的氯離子含量分別為C1與Cs。從圖1 可知，若將氯鹽侵蝕曲線亦視為線性變化（圖1（b）中的斜虛線），則兩者間的函數(shù)關(guān)系可表示為式（3）。簡(jiǎn)化處理可得到相應(yīng)的氯離子對(duì)流區(qū)影響深度Δx，其表達(dá)式為式（4）。

式（4）即為提出的混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型。該模型中的環(huán)境氯離子含量Ce、水分影響深度x0范圍內(nèi)C1與混凝土內(nèi)初始氯離子含量C0均可直接測(cè)定，相應(yīng)的混凝土表層氯離子含量Cs在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下亦可求得。若根據(jù)水分影響深度模型求解特定混凝土實(shí)體和相應(yīng)環(huán)境下的x0值，則可簡(jiǎn)便地計(jì)算任意工況下混凝土氯鹽對(duì)流區(qū)深度Δx。由式（4）可知，混凝土氯鹽對(duì)流區(qū)深度Δx并不是定值，是混凝土內(nèi)水分影響深度的函數(shù)，糾正了將其視為定值的片面認(rèn)識(shí)。

采用有限差分法模擬混凝土內(nèi)水分影響深度。若干濕交替下混凝土內(nèi)水分傳輸流量采用表達(dá)式（5），則表征水分傳輸總效果的擴(kuò)散系數(shù)由飽和度和邊界條件共同決定，即采用式（6）進(jìn)行計(jì)算。自然環(huán)境混凝土內(nèi)部微環(huán)境濕度傳導(dǎo)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，因擴(kuò)散系數(shù)難以直接測(cè)定，多基于混凝土吸水率與擴(kuò)散系數(shù)間的顯式關(guān)系間接獲得，其表達(dá)式為式（7）。干燥過(guò)程中，混凝土內(nèi)水分?jǐn)U散系數(shù)采用歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990 標(biāo)準(zhǔn)推薦的S 曲線來(lái)描述擴(kuò)散系數(shù)［17］。模擬計(jì)算中，假設(shè)混凝土內(nèi)初始飽和度的分布可表示為一維空間坐標(biāo)x的函數(shù)，其表達(dá)式為式（9）。

式中：為混凝土完全干燥時(shí)的水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/ s；Dw，θ為水分在混凝土飽和度為θ條件下的擴(kuò)散系數(shù)，m2/ s；θ為混凝土的孔隙飽和度，取值0～1；θx，0為混凝土內(nèi)x處初始時(shí)刻的孔隙飽和度；為混凝土完全飽和時(shí)的水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/ s；t為混凝土內(nèi)初始水分?jǐn)U散開(kāi)始時(shí)間，s；S0為完全干狀態(tài)的混凝土吸水率，m/ s1/2；?為混凝土的毛細(xì)孔隙率，%；mw為混凝土完全飽水時(shí)的重量，kg；md為混凝土完全干燥時(shí)的重量，kg；ρw為水的密度，kg/ m3；ρc為混凝土完全干燥時(shí)的密度，kg/ m3；α0，θc和N為回歸系數(shù)（取值可參考CEB—FIP Model Code 推薦值）；n為回歸系數(shù)，一般取6～8。

1.2 混凝土表層氯離子含量隨高程和距海水平距離變化規(guī)律

已有研究表明：海洋氯鹽環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的影響主要與距海面垂直高度和距海岸距離有關(guān)。當(dāng)距海邊距離超過(guò)定值后，大氣中所含氯鹽主要與其距海岸距離有關(guān)，而與垂直高度關(guān)系不大。若假設(shè)距海岸的混凝土結(jié)構(gòu)表層氯離子含量主要受大氣中氯鹽含量影響，則其應(yīng)為距離l的函數(shù)，其表達(dá)式為

海邊或海內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)因所處環(huán)境，可按垂直高度劃分為大氣區(qū)、水下區(qū)、浪濺區(qū)和潮差區(qū)，這些差異使得混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子含量隨高度分布呈現(xiàn)出特定規(guī)律。氯離子侵入水下區(qū)混凝土主要依靠擴(kuò)散作用，故可將Cs視為海水中氯離子含量值C的函數(shù)。浪濺區(qū)和潮差區(qū)主要依靠表面吸附作用和深層擴(kuò)散作用，其特征主要表現(xiàn)為Cs及其混凝土氯鹽對(duì)流區(qū)深度Δx值與混凝土內(nèi)飽和度、海水浸潤(rùn)時(shí)間比例、環(huán)境氯離子含量Ce等因素均有關(guān)。文獻(xiàn)［18］研究表明：已有混凝土內(nèi)飽和度和水浸潤(rùn)時(shí)間比例是相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)，一定的干濕浸潤(rùn)時(shí)間比例與相應(yīng)的混凝土飽和度相對(duì)應(yīng)。然而，干濕浸潤(rùn)時(shí)間比例亦與周期性變化的海水潮汐相關(guān)，在垂直距離上混凝土特定區(qū)域的周期性潮差變化必然是高度的函數(shù)，故可將混凝土內(nèi)飽和度、海水浸潤(rùn)時(shí)間比例、環(huán)境氯離子含量Ce三因素對(duì)Cs的影響均視作垂直高度h的函數(shù)，其表達(dá)式為式（11）。因大氣區(qū)主要通過(guò)吸收大氣中的氯離子，所以Cs應(yīng)與距海面垂直距離有關(guān)，其表達(dá)式為

由式（4）和式（11）可知，外界氯鹽環(huán)境中的氯離子等效含量Ce亦為距海高度的函數(shù)，其表達(dá)式為

1.3 混凝土表層氯離子含量時(shí)變規(guī)律分析

從現(xiàn)有針對(duì)混凝土中氯離子侵蝕研究中可知，主要假設(shè)混凝土表面氯離子含量為恒定值。然而，檢測(cè)結(jié)果表明：實(shí)際氯鹽環(huán)境中，混凝土表面氯離子含量是隨時(shí)間逐漸累積并趨于穩(wěn)定的過(guò)程。目前，描述表面氯離子含量時(shí)變性的模型主要有線性、多項(xiàng)式、平方根型、冪函數(shù)型、對(duì)數(shù)型及指數(shù)型等［19-21］函數(shù)形式。但這些模型差別較大，其適用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，許多學(xué)者采用FICK第二定律恒定邊界條件的解析解對(duì)氯離子變化曲線進(jìn)行擬合，得到表面氯離子含量，再對(duì)其進(jìn)行時(shí)變性研究，這在邏輯上存在自相矛盾。在不同影響因素方面，許多學(xué)者認(rèn)為表面氯離子隨水灰比的增加而增大，氯離子含量表達(dá)式為式（13）。但部分研究指出因皮膚效應(yīng)的影響，高水灰比的混凝土的表面氯離子含量較低。針對(duì)環(huán)境、材料等因素對(duì)混凝土表面氯離子含量累積規(guī)律影響的研究較少［22］。

式中：A和ε分別為擬合回歸系數(shù)；W/C為水灰比。

本研究擬采用修正形式的指數(shù)函數(shù)模型來(lái)模擬環(huán)境和自然現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中混凝土表面氯離子含量隨時(shí)間變化規(guī)律，其表達(dá)式為：

式中：Cs(t)為t時(shí)刻相應(yīng)的混凝土表面氯離子含量，%；Cmax為穩(wěn)態(tài)下混凝土表面氯離子含量，%；r為擬合系數(shù)；C0為混凝土初始氯離子含量，%。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料與混凝土配比

所用主要原料為P·O 42.5 級(jí)硅酸鹽水泥，聚羧酸系列高效減水劑，I 級(jí)粉煤灰，S95 級(jí)礦粉，河砂，連續(xù)級(jí)配粒徑5～20 mm石灰?guī)r碎石，自來(lái)水。澆筑試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和150 mm×150 mm×400 mm 試件。所用的混凝土配合比，見(jiàn)表1。

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

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)將混凝土試件保留一個(gè)側(cè)面，其余面采用環(huán)氧樹(shù)脂密封。試樣先置于溫度分別為40、50、60 ℃的模擬環(huán)境72 h，分三階段進(jìn)行氯鹽侵蝕試驗(yàn)。其中，溫度為40 ℃時(shí)侵蝕30 h；溫度為50 ℃時(shí)侵蝕30 h；溫度為60 ℃時(shí)侵蝕12 h，且在40 ℃下噴水50 min，其余階段均為干燥過(guò)程。試驗(yàn)采用氯化鈉溶液的氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，循環(huán)風(fēng)速為3 m/ s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，采用取芯機(jī)器，對(duì)不同部位的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行取樣并編號(hào)；再采用丹麥生產(chǎn)的PF1100 型剖面磨削機(jī)，以1 mm 為單位進(jìn)行取粉制樣，所取粉末磨細(xì)至能通過(guò)75 μm方孔篩子；最后，按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270—1998）［23］的規(guī)定，測(cè)量總氯離子和水溶性氯離子含量。

3 分析與討論

3.1 混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度研究

為計(jì)算混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度，須先求出水分影響深度。采用試驗(yàn)與模擬計(jì)算結(jié)合方式，驗(yàn)證模擬結(jié)果正確性。模擬試驗(yàn)相應(yīng)的混凝土內(nèi)初始飽和度約為0.8，環(huán)境濕度換算成混凝土表層的飽和度約為0.4，圖2 為相應(yīng)的模擬環(huán)境中混凝土內(nèi)飽和度分布曲線?；炷羶?nèi)初始氯離子含量約為0.016%，實(shí)測(cè)混凝土密度約為2.4 g/ cm3。圖3為模擬環(huán)境中8個(gè)月混凝土試件內(nèi)總氯離子含量分布曲線。

圖2 模擬環(huán)境中混凝土內(nèi)飽和度分布曲線Fig. 2 Saturation distribution curve of concrete in simulated environment

從圖2 可以看出，在潤(rùn)濕過(guò)程和干燥過(guò)程中，混凝土內(nèi)飽和度在表層x0深度范圍內(nèi)發(fā)生變化，在一定深度內(nèi)，混凝土內(nèi)水分飽和度穩(wěn)定不變。對(duì)于混凝土初始水分飽和度穩(wěn)定的試樣，在模擬環(huán)境下相應(yīng)的水分影響深度x0約為14 mm。

從圖3可以看出，若基于混凝土某一深度外為混凝土表層對(duì)流區(qū)和該深度外氯離子擴(kuò)散仍按FICK第二定律的假設(shè)，則實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值與理論擬合曲線間具有較佳的相關(guān)性；基于FICK 第二定律，所求混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx值約為10 mm。盡管采用FICK 第二定律，可確定相應(yīng)環(huán)境條件下混凝土氯離子流區(qū)深度Δx值大小，但該法存在所用數(shù)據(jù)必須基于實(shí)測(cè)結(jié)果、試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)和無(wú)法預(yù)測(cè)新建混凝土構(gòu)件氯鹽侵蝕情況等弊端。為克服其不足，本研究提出了混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型，基于式（4），確定混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度Δx值約為11 mm；兩數(shù)值間的差異是所構(gòu)筑模型將對(duì)流區(qū)深度范圍內(nèi)氯離子變化假設(shè)為線性變化造成的，如圖1 所示。線性變化假設(shè)降低了實(shí)際混凝土表層氯離子含量，對(duì)流深度值有所增加。對(duì)比傳統(tǒng)求解方法和構(gòu)筑的氯離子對(duì)流區(qū)深度模型可知，兩數(shù)據(jù)值基本一致，表明：所構(gòu)筑模型是合理的。

以氯鹽環(huán)境中的某棧橋潮差區(qū)為例，該棧橋處海域的潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)半日混合潮類型，在一個(gè)太陽(yáng)日內(nèi)，潮汐兩漲兩落，晝夜時(shí)長(zhǎng)現(xiàn)象顯著，該地實(shí)測(cè)海水鹽度約為2.9%（基于保守考慮，將其視為氯鹽濃度值）；全年潮差浸潤(rùn)時(shí)間比約為0.776。模擬試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明：混凝土內(nèi)水分影響深度約為6 mm。其混凝土內(nèi)氯離子含量的分布曲線如圖4所示。

圖4 某棧橋混凝土內(nèi)氯離子含量的分布曲線Fig. 4 Chloride ion content curve of concrete in a bridge

從圖4 可以看出，現(xiàn)場(chǎng)海港潮差區(qū)混凝土內(nèi)氯離子含量的分布在某一深度內(nèi)可采用FICK 第二定律進(jìn)行描述，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬曲線吻合較好。而混凝土表層內(nèi)氯離子含量分布則基本維持不變。表明：現(xiàn)場(chǎng)混凝土內(nèi)某深度范圍采用FICK第二定律進(jìn)行描述是合理的，而相應(yīng)的表層范圍即為氯離子對(duì)流區(qū)深度。從圖4 還可以看出，氯離子對(duì)流區(qū)深度約為2.5 mm，而基于式（4），可求其值約為3.5 mm；表明：用本模型于求解現(xiàn)場(chǎng)混凝土中氯離子對(duì)流區(qū)深度是可行的。

基于文獻(xiàn)［18］潤(rùn)濕時(shí)間比算法和當(dāng)?shù)夭煌叱袒炷翝?rùn)濕時(shí)間比的數(shù)據(jù)，所計(jì)算全年不同高程對(duì)應(yīng)的海潮潤(rùn)濕時(shí)間比，見(jiàn)表2。圖5為相應(yīng)的潤(rùn)濕時(shí)間比隨高度變化規(guī)律曲線。

表2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中不同高程混凝土潤(rùn)濕時(shí)間比Table 2 Wetting time ratio of concrete at different altitudes for the in-situ environment

圖5 潤(rùn)濕時(shí)間比隨高度變化規(guī)律曲線Fig. 5 Wetting time ratio-altitude curve

從表2 和圖5 可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)全年潤(rùn)濕時(shí)間比隨距海面高程增加而降低，并最終在一定高程后趨于零；對(duì)比表2 中不同時(shí)間的潤(rùn)濕時(shí)間比可知，不同月份的潤(rùn)濕時(shí)間比亦存在差異，這是海潮的自身特性造成的。從圖5 還可以看出，理論計(jì)算值與采用Sigmoidal 模型中的DoseResp 函數(shù)曲計(jì)算的結(jié)果吻合較好，表明：對(duì)于一定高程內(nèi)，潤(rùn)濕時(shí)間比可采用該函數(shù)予以表征，這種方法為獲取不同高程混凝土結(jié)構(gòu)海潮潤(rùn)濕時(shí)間比提供了途徑。

3.2 混凝土表層氯離子含量隨高程和距海水平距離變化規(guī)律

為驗(yàn)證本研究提出的混凝土表層氯離子含量隨垂直高度的變化規(guī)律。測(cè)定某地現(xiàn)場(chǎng)海港混凝土表層氯離子含量在垂直方向的變化值。混凝土內(nèi)氯離子含量隨高度在垂直方向的變化規(guī)律如圖6所示。圖6 中，空心符號(hào)為混凝土對(duì)流區(qū)氯離子含量?；炷帘韺勇入x子含量和擴(kuò)散系數(shù)隨高度的變化規(guī)律如圖7所示?；炷帘韺勇入x子最大含量隨距海距離的變化規(guī)律如圖8所示。采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)量的最近的驗(yàn)潮站（閘坡）數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)高換算，模擬曲線采用FICK第二定律進(jìn)行模擬，所有模擬曲線的參數(shù)根據(jù)上述原理和實(shí)測(cè)曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行取值。

圖6 混凝土內(nèi)氯離子含量隨高度變化規(guī)律Fig. 6 Chloride ion content of concrete at different altitudes

圖7 混凝土表層氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù)隨高度變化曲線Fig. 7 Chloride ion content and diffusion coefficient of concrete at different altitudes

圖8 混凝土表層氯離子最大含量隨距海邊距離曲線Fig. 8 Effect of the distance from the sea on the maximum chloride ion content on the concrete surface

從圖6 可以看出，現(xiàn)場(chǎng)海港混凝土內(nèi)氯離子含量隨垂直高度發(fā)生顯著的變化。當(dāng)混凝土接近海平面的潮差或淺水區(qū)域（1.1 m）時(shí)，混凝土表層約2.5 mm 區(qū)域內(nèi)氯離子含量基本維持恒定，且在混凝土表層內(nèi)某點(diǎn)（約2.5 mm 處），氯離子含量達(dá)到最大值，該極值以內(nèi)混凝土氯離子含量可采用FICK擴(kuò)散定律予以描述。當(dāng)混凝土處于潮差區(qū)或浪濺區(qū)（1.6 m）時(shí)，混凝土內(nèi)氯離子含量分布規(guī)律與本研究提出的混凝土表層氯離子含量隨垂直高度變化規(guī)律基本類似，但混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)增加，且混凝土內(nèi)氯離子含量增大。隨干燥過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，所含孔隙水最終將以蒸汽形式向外界遷移。而氯鹽溶液將在濃縮、滯后和結(jié)晶等效應(yīng)作用下，使得混凝土內(nèi)某深度區(qū)域內(nèi)的氯鹽含量增加，進(jìn)而使得氯離子在混凝土內(nèi)發(fā)生雙向擴(kuò)散。濕潤(rùn)開(kāi)始時(shí)，表層氯離子相對(duì)孔隙液的含量因前期孔隙液的蒸發(fā)而高于外界溶液，向表面擴(kuò)散。干濕循環(huán)周而復(fù)始，使得混凝土內(nèi)某深度處氯離子含量達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)，且出現(xiàn)與干濕時(shí)間比相匹配的氯離子對(duì)流區(qū)深度和含量極值。由于混凝土孔隙阻斷效應(yīng)和氯鹽擴(kuò)散的滯后效應(yīng)，該情況僅在混凝土表層范圍出現(xiàn)，而深處的孔隙飽和度鮮有變化，所以可采用FICK 第二定律表征其規(guī)律。當(dāng)混凝土處于大氣區(qū)（垂直高度分別為2.1、2.6 和3.1 m）時(shí)，混凝土表層較大區(qū)域內(nèi)氯離子含量基本恒定。而從除混凝土表層該區(qū)域外至混凝土較深處氯離子擴(kuò)散符合FICK 第二定律。這是由大氣區(qū)混凝土內(nèi)氯離子主要來(lái)源于含氯鹽量較低海霧、雨水和空氣，相應(yīng)的濃度梯度較低，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力較小造成的。若基于式（12）和2.1 m 處混凝土內(nèi)氯離子含量，則可計(jì)算出大氣區(qū)的環(huán)境等效氯離子含量值約為0.4%。為更好地探討高度對(duì)混凝土內(nèi)氯鹽含量的影響，本研究對(duì)其表層氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù)隨高度變化規(guī)律進(jìn)行了分析，如圖7所示。

從圖7 可以看出，混凝土表層氯離子含量和擴(kuò)散系數(shù)隨高度增加而發(fā)生顯著變化，但兩者表現(xiàn)規(guī)律略有差別?；炷帘韺勇入x子含量隨高度增加先略有增大，維持一定值后，迅速降低。整體變化規(guī)律可采用S 曲線予以表征，其表達(dá)式為式（15）。而相應(yīng)的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨高度的變化規(guī)律為先增加后降低的趨勢(shì)，其曲線變化規(guī)律表現(xiàn)為良好的高斯分布，其計(jì)算式為：

混凝土表層氯離子最大含量隨距海邊距離的變化規(guī)律，如圖8所示。

從圖8 可以看出，混凝土表層氯離子最大含量隨海距離增加迅速降低，且在一定距離后表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，整體變化亦可采用式（15）來(lái)描述。這是因?yàn)榛炷帘韺勇入x子是空氣中氯鹽不斷吸附和累積的結(jié)果。距海越近的海風(fēng)中所含氯離子量越大，空氣中的氯鹽含量隨距離增加而逐漸減少，且一定距離后空氣中所提供的氯離子極為有限，混凝土結(jié)構(gòu)表層富集氯離子主要由海霧和降水提供。

3.3 混凝土表層氯離子含量隨時(shí)間的變規(guī)律

為研究模擬環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中混凝土表層氯離子隨時(shí)間的變化規(guī)律是否相同，以模擬環(huán)境中C20 和C50 混凝土為例，探討其隨時(shí)間變化的規(guī)律，結(jié)果如圖9所示。

圖9 混凝土表層氯離子最大含量時(shí)變規(guī)律曲線Fig. 9 The evolution of the maximum chloride ion content on the concrete surface with the change of time

從圖9 可以看出，混凝土表層氯離子最大含量隨時(shí)間增加而增大，但其值最終趨于穩(wěn)定；混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，短期內(nèi)相應(yīng)的混凝土表層氯離子最大含量越大，但隨時(shí)間延長(zhǎng)兩者逐漸趨于一致；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與理論擬合曲線吻合較好，表明：采用修正的指數(shù)函數(shù)模型（式（14））可描述模擬環(huán)境中混凝土表面氯離子含量隨時(shí)間的變化規(guī)律。模擬環(huán)境中，混凝土表層氯離子含量是隨時(shí)間不斷積累的過(guò)程，且該過(guò)程最終趨于平衡狀態(tài)。不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土表層最大氯離子含量不同，可能是因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)和孔隙含量等不同（即混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高），其孔隙率越低而相應(yīng)的微觀孔隙含量比卻較大，相應(yīng)的毛細(xì)管作用更加劇烈，故其早期氯離子含量較高；低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土孔隙較多，其所能容納、濃縮和富集的氯鹽亦較多，混凝土表層氯鹽含量亦會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1） 基于混凝土水分影響深度及其范圍內(nèi)氯離子線性變化的假設(shè)，建立了混凝土表層氯離子對(duì)流區(qū)深度模型，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性。混凝土氯鹽對(duì)流區(qū)深度并不是定值，它是混凝土內(nèi)水分影響深度的函數(shù)，從而糾正了將其視為定值的片面認(rèn)識(shí)。

2） 混凝土表層氯離子含量與高度和距海遠(yuǎn)近間存在良好的相關(guān)性?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)隨高度的變化規(guī)律表現(xiàn)為先增加后降低，曲線呈高斯分布；混凝土表層氯離子含量與高度和距海遠(yuǎn)近間符合S曲線。

3） 混凝土表層氯離子最大含量隨時(shí)間增加而增大，但其值最終趨于穩(wěn)定。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，短期混凝土表層氯離子的最大含量越大，但隨時(shí)間延長(zhǎng)兩者逐漸趨于一致；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與理論擬合曲線吻合較好，采用修正指數(shù)函數(shù)模型可描述模擬環(huán)境中混凝土表面氯離子含量隨時(shí)間的變化規(guī)律。