海洋環(huán)境不同區(qū)位混凝土中的濕分布狀態(tài)變化*

姬永生 馬會(huì)榮 蔣建華 王志龍 曾平

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力建學(xué)院，江蘇徐州221008;3．河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098)

在過(guò)去的幾十年間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(diǎn)［1-2］，混凝土配合比設(shè)計(jì)和使用壽命的計(jì)算也大都是建立在氯離子在飽和混凝土中以擴(kuò)散為主要機(jī)制滲入混凝土的假設(shè)之上，采用Fick定律描述鋼筋混凝土損傷失效過(guò)程［3-4］．但海工混凝土結(jié)構(gòu)既有水下部分也有水上部分，結(jié)構(gòu)耐久性與使用壽命的關(guān)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(kuò)散機(jī)制的研究結(jié)果應(yīng)用到同時(shí)存在多種劣化機(jī)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(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)大大提高［5-6］．

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了海洋潮汐環(huán)境混凝土耐久性的試驗(yàn)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(xì)管對(duì)流為主的定性認(rèn)識(shí)，但歸集到使用壽命預(yù)測(cè)模型上還是套用Fick第二定律或改進(jìn)的Fick定律［9-11］．由于氯離子毛細(xì)管對(duì)流傳輸?shù)闹饕卣魇锹入x子隨混凝土孔隙水流動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)力是濕度梯度;而氯離子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(jī)制及影響深度提供依據(jù)，進(jìn)而為建立與其主要傳輸機(jī)制相對(duì)應(yīng)的氯離子傳輸速率模型奠定基礎(chǔ)．

文中對(duì)干濕交替環(huán)境下混凝土中的濕分布狀態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了機(jī)理分析，并建立了海洋潮汐模擬試驗(yàn)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(nèi)水分的遷移機(jī)理，確定了海工工程混凝土水分遷移加劇的峰值位置和對(duì)應(yīng)的加劇程度，為海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考．

1 干濕交替過(guò)程混凝土內(nèi)濕分布變化過(guò)程分析

干濕循環(huán)過(guò)程中混凝土中的水分遷移過(guò)程如圖1所示．在干濕循環(huán)之前，混凝土內(nèi)部濕含量與大氣濕度相平衡，稱為平衡濕含量θe．循環(huán)過(guò)程中第一次濕潤(rùn)時(shí)，混凝土直接從外界吸收水分，致使混凝土的絕對(duì)表面達(dá)到飽水，等于混凝土的飽和濕含量θs，而混凝土的內(nèi)部濕含量較低，隨著濕潤(rùn)時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土內(nèi)濕含量變化如圖1(a)中曲線11、12、1e所示，曲線1e為濕潤(rùn)過(guò)程結(jié)束時(shí)的濕含量變化曲線，稱為臨界濕潤(rùn)線．然后開(kāi)始自然風(fēng)干過(guò)程，混凝土表面的濕含量不斷降低，而內(nèi)部水分由于仍存在外濕內(nèi)干的濕度梯度，故水分仍會(huì)向內(nèi)遷移，隨著風(fēng)干時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土內(nèi)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(fēng)干過(guò)程結(jié)束時(shí)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(rùn)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(rùn)過(guò)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(rùn)線ie和臨界干燥線i'e間的面積(以臨界濕潤(rùn)線在臨界干燥線的上部為正)為這一次風(fēng)干過(guò)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(fēng)干過(guò)程始終處于恒速干燥階段，則每次風(fēng)干過(guò)程的循環(huán)失水量為一定值．濕潤(rùn)過(guò)程的吸水量與風(fēng)干過(guò)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(jiǎn)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(nèi)推進(jìn)，以此類推，第2次循環(huán)濕潤(rùn)和風(fēng)干結(jié)束時(shí)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(dá)到平衡，每次循環(huán)濕潤(rùn)過(guò)程的吸水量在隨后的風(fēng)干過(guò)程全部失去，Wi將等于0，最終混凝土內(nèi)部濕含量也將達(dá)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(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)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(rùn)和干燥過(guò)程結(jié)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(dá)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(gè)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(guò)程而變化，始終等于θ0，這個(gè)深度稱為濕傳輸影響深度L，對(duì)應(yīng)于濕潤(rùn)線和干燥線交點(diǎn)，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(kuò)散機(jī)制的重要依據(jù)．圖1(c)中濕傳輸影響深度范圍內(nèi)濕潤(rùn)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(rùn)時(shí)間twi和干濕時(shí)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(rùn)過(guò)程的吸水量Q1在隨后的風(fēng)干過(guò)程全部失去，即第1次循環(huán)就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的θ0等于θe．

2 混凝土中濕分布狀態(tài)變化過(guò)程

采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自行設(shè)計(jì)的海洋潮汐模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)．該系統(tǒng)位于室外自然環(huán)境暴露場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)間為20090601—20090831，為期3個(gè)月．

圖1 干濕循環(huán)過(guò)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(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)雙水池雙水泵互抽水潮汐模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的模擬(如圖2所示)．

圖2 海洋環(huán)境模擬試驗(yàn)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(shí)際潮汐變化規(guī)律［12］，認(rèn)為在相鄰高、低潮之間潮高的變化是一簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)

在水池A(或B)漲潮達(dá)到最高水位時(shí)，向試驗(yàn)用混凝土柱上劃定的浪濺區(qū)域進(jìn)行人工潑水來(lái)模擬浪濺區(qū)混凝土的濕潤(rùn)過(guò)程，頻率為1次/min，持續(xù)時(shí)間為30min．

通過(guò)空氣加濕器向混凝土柱的指定區(qū)域噴鹽霧來(lái)模擬實(shí)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(jiàn)圖2(b)．水池中的侵蝕溶液為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl水溶液．

2．2 試件制作

測(cè)試試件為6根250mm×200mm×1500mm的普通混凝土柱，其編號(hào)和具體尺寸見(jiàn)圖2(a);混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，除留下一個(gè)側(cè)面外，其余表面用環(huán)氧樹(shù)脂予以密封;7 d后放入水池進(jìn)行海洋環(huán)境氯離子侵蝕模擬試驗(yàn)．

2．3 混凝土粉末的取樣過(guò)程

在試驗(yàn)系統(tǒng)的第90次循環(huán)開(kāi)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(jié)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(jīng)歷第90次循環(huán)過(guò)程中，水池A中水位不斷下降，而相對(duì)應(yīng)的水池B中水位則不斷上升．當(dāng)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(shí)，分別鉆取對(duì)應(yīng)潮位段混凝土柱不同深度處的粉末試樣．

當(dāng)系統(tǒng)第90次循環(huán)運(yùn)行至水池B中水位升至最高水位線時(shí)，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(shí)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(jié)束后恢復(fù)潮汐循環(huán)的繼續(xù)運(yùn)行．

2．4 混凝土粉末的取樣方法

每根柱子的每個(gè)設(shè)定高程處鉆4個(gè)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(gè)取樣范圍(如15～20mm，則從15mm深鉆至20mm深)，用藥匙在對(duì)應(yīng)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(nèi)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(gè)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(cè)定混凝土濕含量．

2．5 混凝土濕含量的測(cè)定

在鉆取粉末試樣時(shí)，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(zhì)量M0，然后將其在105℃的烘箱中干燥24h，稱取其干燥質(zhì)量Mg，混凝土濕含量w的計(jì)算公式為

3 試驗(yàn)結(jié)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(guò)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(jiàn)，在第90次循環(huán)過(guò)程中，漲潮結(jié)束時(shí)和落潮開(kāi)始時(shí)大氣區(qū)混凝土內(nèi)的濕含量分布均波動(dòng)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(duì)于有遮蔽的處于穩(wěn)定海洋大氣環(huán)境中的混凝土，其內(nèi)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(jiàn)，在干濕循環(huán)的浪濺區(qū)，混凝土表層在干濕交替過(guò)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(nèi)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(shí)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(lái)前已全部失去．

由圖4(c)可知，干濕交替過(guò)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(guò)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(nèi)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(guò)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(nèi)部的穩(wěn)定濕含量 θ0=0．102%;第 90 次循環(huán)結(jié)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(jiàn)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(guò)程中，漲潮結(jié)束時(shí)和落潮開(kāi)始時(shí)混凝土內(nèi)的濕含量分布曲線均為水平線，且基本重合．這表明對(duì)于浸泡區(qū)的混凝土，其內(nèi)外的濕含量分布較為均勻，混凝土由表至里沒(méi)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(nèi)穩(wěn)定濕含量較高，達(dá)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(yàn)研究可以得出海洋潮汐過(guò)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(jiàn)，海工工程混凝土在經(jīng)歷干濕交替的潮汐過(guò)程中，混凝土內(nèi)部的濕含量將逐步達(dá)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(nèi)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(nèi)水分輸運(yùn)過(guò)程示意圖Fig．5 Water transport sketch in concrete under drying-wetting cycles

混凝土內(nèi)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(shí)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(zhǎng)，干濕時(shí)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(dá)到最大值;此后，隨著高程和干濕時(shí)間比的進(jìn)一步提高，L和Qi轉(zhuǎn)而下降．由于濕傳輸影響深度是氯離子受對(duì)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(dá)到最大值，所以應(yīng)將該區(qū)域作為耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)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(jié)論

(1)對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程混凝土中濕分布狀態(tài)變化進(jìn)行了機(jī)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(nèi)推進(jìn)，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(dá)到平衡，混凝土內(nèi)部濕含量也將達(dá)到穩(wěn)定．

(2)設(shè)計(jì)了雙水池雙水泵互抽水海洋潮汐模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了海洋環(huán)境不同區(qū)位混凝土內(nèi)的濕分布變化規(guī)律試驗(yàn)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(nèi)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(shí)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(nèi)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(shí)其濕傳輸影響深度隨著外界環(huán)境條件和干濕時(shí)間比的不同而變化，隨著高程的增長(zhǎng)，干濕時(shí)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(dá)到最大，氯離子的傳輸速率最快，該區(qū)域應(yīng)作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)鍵部位．

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