胡守旺，龍永康，符峰源，孫穩(wěn)石，鄭愚

（1.東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.東莞市城建規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 東莞 523000）

在濱海和海洋環(huán)境中，氯離子的侵蝕導(dǎo)致鋼筋的銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的主要因素之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)氯離子侵蝕下結(jié)構(gòu)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(zhì)材料，忽略了混凝土細(xì)觀組成對(duì)氯離子傳輸行為的影響，造成濱海環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估存在不足。在細(xì)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(guò)渡區(qū)組成的三相模型［7-8］。一些學(xué)者建立了考慮漿體、骨料和界面過(guò)渡區(qū)的三維模型［9］，研究氯離子在混凝土中的細(xì)觀傳輸規(guī)律，并驗(yàn)證了該氯離子傳輸細(xì)觀三維模型應(yīng)用于濱海混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的可行性。因此，本研究針對(duì)濱海區(qū)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(guò)渡區(qū)厚度的鋼筋混凝土二維細(xì)觀模型，分析不同界面過(guò)渡區(qū)厚度對(duì)氯離子擴(kuò)散行為的影響，計(jì)算氯離子在一維和二維擴(kuò)散時(shí)的濃度，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析不同水灰比和水化度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響，以期為在海岸環(huán)境下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋初始銹蝕時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)提供參考。

1 細(xì)觀模型的建立

1.1 骨料

WALRAVEN［10］基于Fuller 曲線，推導(dǎo)出試件任意截面平面內(nèi)骨料直徑D＜D0的概率Pc，其計(jì)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?jǐn)?shù)，%。

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(jì)算得到不同粒徑的骨料概率，也可以計(jì)算得到相應(yīng)圓形粒徑骨料的數(shù)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(wǎng)格圖。

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

圖1 骨料網(wǎng)格Fig. 1 Mesh of the random aggregates

1.2 氯離子擴(kuò)散方程

式中：Cx為t時(shí)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(kuò)散系數(shù)。

假設(shè)氯離子在混凝土中各個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)相同，氯離子二維滲透下的擴(kuò)散方程為：

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

當(dāng)考慮混凝土細(xì)觀組成對(duì)水分和氯離子傳輸過(guò)程的影響，需要分別確定漿體、骨料和界面過(guò)渡區(qū)水分和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)，ZHENG等［11］提出水泥漿體氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp，計(jì)算式為：

式中：φ為漿體孔隙率。

φ的計(jì)算式為：

式中：α為水化度，其值為0.8；w/c為水灰比。

后來(lái)有些婦女開始說(shuō)，這是全鎮(zhèn)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(huì)牧師—-愛(ài)米麗小姐一家人都是屬于圣公會(huì)的-—去拜訪她。訪問(wèn)經(jīng)過(guò)他從未透露，但他再也不愿去第二趟了。下個(gè)禮拜天他們又駕著馬車出現(xiàn)在街上，于是第二天牧師夫人就寫信告知愛(ài)米麗住在亞拉巴馬的親屬。

PAN 等［12］對(duì)文獻(xiàn)［13］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做回歸分析，得到界面過(guò)渡區(qū)擴(kuò)散系數(shù)與水泥漿體擴(kuò)散系數(shù)和過(guò)渡區(qū)厚度的數(shù)量關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中：DITZ是界面過(guò)渡區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)；TITZ是界面過(guò)渡區(qū)厚度。

1.3 界面過(guò)渡區(qū)厚度分析

目前，一般認(rèn)為混凝土內(nèi)骨料真實(shí)界面過(guò)渡區(qū)的厚度為30～80 μm［14］。本研究選擇界面過(guò)渡區(qū)的厚度分別為0、50和80 μm，計(jì)算相同深度下氯離子濃度分布規(guī)律。模型表面氯離子濃度為0.50 % （占混凝土質(zhì)量比），侵蝕時(shí)間為2 a。通過(guò)計(jì)算，得到深度為30 mm，寬度為150 mm處的氯離子濃度分布規(guī)律。將不同界面過(guò)渡區(qū)厚度的計(jì)算結(jié)果與只考慮混凝土漿體的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響不可忽略?？紤]了界面過(guò)渡區(qū)的細(xì)觀模型計(jì)算得到的氯離子濃度大于不考慮界面過(guò)渡區(qū)的氯離子濃度，表明界面過(guò)渡區(qū)對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響顯著。從圖2還可以看出，當(dāng)界面過(guò)渡區(qū)厚度從50 μm增加到80 μm時(shí)，二者的濃度相差小于1%。因此，在分析和計(jì)算氯離子濃度時(shí)，界面過(guò)渡區(qū)厚度可取為80 μm。這樣既可有效減小模型大小，也能有效節(jié)約計(jì)算時(shí)間，同時(shí)不會(huì)影響計(jì)算精度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本模型采用文獻(xiàn)［15］氯離子侵蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。試件原材料選擇P·O 42.5 R 級(jí)水泥，細(xì)骨料采用中砂，粗骨料采用碎石，其粒徑范圍為5～22 mm。

試驗(yàn)中，每一個(gè)配合比均制作3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，氣候箱溫度和濕度分別設(shè)置為25 ℃和95 %，利用質(zhì)量濃度為0.50%的NaCl 溶液產(chǎn)生鹽霧，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30 d，一維擴(kuò)散只暴露一個(gè)面，二維擴(kuò)散暴露相鄰的兩個(gè)面，未擴(kuò)散面均涂上環(huán)氧樹脂以隔絕氯離子的滲透。試驗(yàn)完成后，用鉆孔機(jī)在擴(kuò)散面內(nèi)取樣，按照每5 mm取一層，取樣深度為30 mm，取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)，將每個(gè)點(diǎn)每次取得的粉末進(jìn)行混合，以減小骨料分布的離散性，試驗(yàn)使用快速氯離子濃度測(cè)試儀對(duì)已經(jīng)取樣的粉末進(jìn)行氯離子濃度測(cè)試。

本細(xì)觀模型計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3 可以看出，細(xì)觀模型計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明：本細(xì)觀模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖3 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig. 3 Comparison between simulated and experimental values

3 模型參數(shù)分析

在細(xì)觀模型中，氯離子擴(kuò)散系數(shù)主要影響參數(shù)為水灰比w/c和水化度α。針對(duì)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(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響。其他計(jì)算參數(shù)為：界面過(guò)渡區(qū)厚度為80 μm，表面氯離子濃度為0.50%，氯離子濃度計(jì)算位置如圖4所示。

圖4 氯離子濃度計(jì)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(kuò)散性隨著水灰比的增大而增強(qiáng)。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(kuò)散的能力。

圖5 水灰比對(duì)氯離子擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散能力的重要手段之一。

圖6 水化度對(duì)氯離子擴(kuò)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(duì)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(duì)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(shí)間

基于不同水灰比的細(xì)觀模型，計(jì)算保護(hù)層厚度C分別為50、60 mm 時(shí)的鋼筋表面不同點(diǎn)在一維和二維擴(kuò)散時(shí)的氯離子濃度。鋼筋的位置和計(jì)算點(diǎn)如圖7所示。Point 1和Point 3是距離兩個(gè)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(dāng)鋼筋表面的任一點(diǎn)濃度達(dá)到臨界氯離子濃度時(shí)，就認(rèn)為鋼筋開始銹蝕，而對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為鋼筋的初始銹蝕時(shí)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(diào)查了澳大利亞1 158 座實(shí)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(guān)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(zhì)量混凝土所含的氯離子質(zhì)量來(lái)表示。

本研究模擬近海岸線環(huán)境，表面氯離子濃度為0.127%，文獻(xiàn)［16］也給出引起鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度Ccr，通過(guò)大量數(shù)據(jù)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(jìn)一步分析。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在不同條件下的初始銹蝕時(shí)間如圖8 所示。從圖8 可以看出，在相同條件下，一維擴(kuò)散下鋼筋的初始銹蝕時(shí)間是二維擴(kuò)散下鋼筋的初始銹蝕時(shí)間的2.31～3.24倍。因此，對(duì)于角部鋼筋，只考慮氯離子的一維擴(kuò)散的計(jì)算結(jié)果偏保守，當(dāng)保護(hù)層厚度從50 mm增加到60 mm時(shí)，一維擴(kuò)散時(shí)，水灰比為0.4、0.5 和0.6 的混凝土中鋼筋的初始銹蝕時(shí)間分別延長(zhǎng)28.00%、10.90%和18.50%，而二維擴(kuò)散時(shí)，初始銹蝕時(shí)間則分別延長(zhǎng)52.42%、7.45%和56.65%。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增大保護(hù)層厚度對(duì)延長(zhǎng)鋼筋的初始銹蝕時(shí)間的作用顯著。

圖8 鋼筋開始銹蝕時(shí)間Fig. 8 Corrosion initiation time of the steel reinforcement

5 結(jié)論

1） 在細(xì)觀模型中，不考慮界面過(guò)渡區(qū)計(jì)算的氯離子濃度值小于考慮界面過(guò)渡區(qū)的計(jì)算值，表明：對(duì)氯離子擴(kuò)散的細(xì)觀模擬中須考慮界面過(guò)渡區(qū)。在細(xì)觀模型中，界面過(guò)渡區(qū)厚度的建議值為80 μm。

2） 細(xì)觀模型對(duì)氯離子濃度擴(kuò)散的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，表明：本混凝土細(xì)觀模型的可靠性和適用性均較高。對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散性隨著水灰比的增大而增強(qiáng)，而隨著水化度的增大氯離子擴(kuò)散性反而降低。

3） 在相同條件下，氯離子進(jìn)行一維擴(kuò)散時(shí)的鋼筋初始銹蝕時(shí)間是氯離子二維擴(kuò)散時(shí)的2.31～3.24倍。當(dāng)保護(hù)層厚度從50 mm 增加到60 mm，且為一維擴(kuò)散時(shí)，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(shí)間分別延長(zhǎng)28.00%、10.90%和18.50%；二維擴(kuò)散時(shí)，初始銹蝕時(shí)間則分別延長(zhǎng)52.42%、7.45%和56.65%。