混凝土中氯離子滲透的試驗(yàn)與細(xì)觀數(shù)值分析

金立兵，王珍，王振清，張慶章，梁新亞

(河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

氯離子對混凝土的侵蝕可引起鋼筋銹蝕及結(jié)構(gòu)承載力降低，是海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因，因此，氯離子對混凝土的侵蝕已引起人們的高度重視[1-3]。混凝土是一種復(fù)雜的、非均質(zhì)的復(fù)合材料，在細(xì)觀上可以看成由砂漿、粗骨料、界面區(qū)組成的三相復(fù)合結(jié)構(gòu)，各組成部分的滲透性能各不相同[4]。因此，從細(xì)觀層次出發(fā)，研究氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸規(guī)律對混凝土耐久性設(shè)計(jì)以及壽命預(yù)測具有重要意義。

在現(xiàn)有研究中，大多是將混凝土看成宏觀上的均質(zhì)材料，從細(xì)觀角度研究混凝土中氯離子傳輸性能的還比較少[5]。從細(xì)觀層次上研究氯離子在混凝土中的侵蝕規(guī)律，學(xué)者們已經(jīng)展開了一定研究，主要對粗骨料含量、粗骨料形狀特征、界面區(qū)厚度和界面區(qū)擴(kuò)散性能等方面進(jìn)行研究。吳靜新[6]從細(xì)觀層次研究了界面過渡區(qū)厚度、界面過渡區(qū)擴(kuò)散性能對混凝土中氯離子擴(kuò)散滲透的影響。Zheng等[7]應(yīng)用加速試驗(yàn)研究了粗骨料長細(xì)比對混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響。虞愛平等[8]通過試驗(yàn)研究了混凝土中粗骨料及界面區(qū)對混凝土滲透性能的影響。周雙喜等[9]和李杰等[10]采用COMSOL軟件，研究了骨料含量和界面區(qū)體積對混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響。Choi等[11]考慮骨料和界面區(qū)對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懀岢隽寺入x子擴(kuò)散預(yù)測模型。

目前，采用試驗(yàn)與數(shù)值方法相結(jié)合，研究氯離子在混凝土細(xì)觀層面的擴(kuò)散性能還比較少。由于傳統(tǒng)的氯離子侵蝕試驗(yàn)周期較長，且試驗(yàn)研究難以對每一個(gè)參數(shù)的影響都展開精確研究，因此，筆者采用加速氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定試驗(yàn)和細(xì)觀上數(shù)值模擬方法相結(jié)合，分析了粗骨料含量、孔隙率、界面區(qū)厚度、界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)對氯離子滲透性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料及配合比

為了研究不同粗骨料含量、混凝土孔隙率和水膠比對混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響，分別設(shè)計(jì)5組不同粗骨料含量試件、5組不同水膠比試件，進(jìn)行RCM試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5級，密度為3 060 kg/m3；細(xì)骨料為天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.63，表觀密度為2 739 kg/m3；粗骨料采用粒徑5～20 mm的連續(xù)級配碎石，表觀密度為2 697 kg/m3；粉煤灰采用河南省鄭州市電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，密度為2 534 kg/m3；拌合用水采用自來水，密度為1 000 kg/m3，混凝土具體配合比如表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 試件制備 根據(jù)《混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES 01—2004)中的要求制作Φ100 mm×200 mm的圓柱體試件，成型24 h后脫模，移至養(yǎng)護(hù)水槽中(溫度20±2 ℃)養(yǎng)護(hù)21 d，然后切割成Φ100 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，并繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)水槽中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期28 d。

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28 d齡期后，進(jìn)行壓汞試樣制作，剔除混凝土中粗骨料，取大小約為1 cm3的水泥砂漿試樣，然后，放入無水乙醇中終止水化，最后，在烘箱中烘至恒重，放入密封袋密封等待壓汞測試。

1.2.2 RCM法測混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù) 對制備好的待測標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行RCM試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程參見《混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES 01—2004)，在進(jìn)行試件安裝之前，進(jìn)行120±20 s的超聲浴處理，然后將準(zhǔn)備好的試件安裝在RCM設(shè)備上。試驗(yàn)結(jié)束后，立即將試件在壓力試驗(yàn)機(jī)上沿直徑方向劈開，并噴涂0.1 mol/L AgNO3溶液，測量氯離子擴(kuò)散深度，并根據(jù)測量得到的氯離子擴(kuò)散深度計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

1.2.3 壓汞法測混凝土孔結(jié)構(gòu) 壓汞法是測定混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)特征的常用方法，該方法通過一定的外部壓力將液態(tài)汞壓入水泥砂漿孔隙中，根據(jù)孔徑與壓力之間的關(guān)系，得到混凝土孔徑分布規(guī)律以及孔體積大小。采用美國Micromeritics公司生產(chǎn)的Autopore IV9500型壓汞儀進(jìn)行壓汞測試，測試環(huán)境在恒溫25 ℃，濕度60%±5%環(huán)境下進(jìn)行，最大壓力227.53 MPa，可測量孔徑范圍為0.005～1 000 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粗骨料含量的影響

粗骨料含量對混凝土抵抗氯離子侵蝕作用主要有曲折效應(yīng)、稀釋效應(yīng)、界面效應(yīng)等，其中前兩種作用會降低氯離子傳輸，而界面效應(yīng)會加快氯離子的傳輸，因此，粗骨料含量的增加對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懯沁@幾種效應(yīng)的綜合作用[12]。5組(G-1、G-2、G-3、G-4、G-5)不同粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示，由圖1可見，隨著粗骨料含量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，當(dāng)粗骨料含量為60%時(shí)，此時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與純砂漿擴(kuò)散系數(shù)相比減少65.18%。這一結(jié)果表明，當(dāng)粗骨料含量增加時(shí)，曲折效應(yīng)和稀釋效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，使混凝土滲透能力降低。將試驗(yàn)測得的粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式(1)，相關(guān)系數(shù)R2=0.973 4，不同粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系的擬合曲線如圖1所示。

(1)

式中：D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；D0為砂漿中氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Va為粗骨料含量。

圖1 粗骨料含量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between coarse aggregate content and chloride ion diffusion coefficient

2.2 不同水膠比及孔隙率的影響

從5組(S-1、S-2、S-3、S-4、S-5)壓汞試樣測試結(jié)果(圖2和圖3分別為孔徑與累計(jì)孔體積、孔徑與孔體積增量的分布關(guān)系)可以看出，隨著水膠比的增大，混凝土孔隙率不斷增加，而且從孔徑與孔體積增量的關(guān)系來看，孔體積在5～100 nm之間增量特別大，說明不同水膠比的混凝土孔徑多在5～100 nm之間分布。由壓汞試驗(yàn)得到砂漿孔隙率，根據(jù)粗骨料含量可以進(jìn)一步換算得到混凝土孔隙率，圖4是水膠比與混凝土孔隙率之間的關(guān)系，可以看出水膠比越大，混凝土孔隙率越大，二者有較好的相關(guān)性，將水膠比與混凝土孔隙率的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式(2)，相關(guān)系數(shù)R2=0.977 4，不同水膠比與混凝土孔隙率關(guān)系的擬合曲線如圖4所示。

φ=0.137 6(w/b)2+0.037 7(w/b)+0.087 6

(2)

式中：w/b為水膠比；φ為混凝土孔隙率。

圖2 不同水膠比下孔徑與與累計(jì)孔體積之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between water-to-binder ratio and porosity

圖3 不同水膠比下孔徑與孔體積增量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between pore size and pore volume increment under different water-to-binder ratios

圖4 水膠比與混凝土孔隙率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between water-to-binder ratio and concrete porosity

圖5為試驗(yàn)測得的水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系，從圖5可以看出，隨著水膠比的增大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，氯離子在混凝土中的滲透速度加快，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力降低。這主要是因?yàn)樗z比增加時(shí)，混凝土微觀孔隙增多，使氯離子傳輸通道增加，各孔徑連通的可能性也增大。將試驗(yàn)測得的水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系及孔隙率與水膠比的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到關(guān)系式(3)、關(guān)系式(4)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.989 1、0.978 3，不同水膠比及混凝土孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系的擬合曲線如圖5、圖6所示。

圖5 水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between water-to-binder ratio and chloride ion diffusion coefficient

D=(20.55(w/b)2-2.803(w/b)+2.112)×10-12

(3)

圖6 混凝土孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between concrete porosity and chloride ion diffusion coefficient

(4)

式中：D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；w/b為水膠比；φ為混凝土孔隙率。

3 飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土中傳輸?shù)募?xì)觀數(shù)值研究

3.1 細(xì)觀模型建立

為了更加深入研究混凝土粗骨料含量、界面區(qū)厚度、界面區(qū)擴(kuò)散性能等一系列細(xì)觀參數(shù)對混凝土滲透能力的影響，從細(xì)觀角度出發(fā)，將混凝土看成由粗骨料、砂漿、界面區(qū)組成的復(fù)合材料，利用Matlab程序軟件，隨機(jī)生成粗骨料模型。以100 mm×100 mm二維隨機(jī)粗骨料模型為研究對象，由于粗骨料形狀對氯離子擴(kuò)散影響很小[13-14]，粗骨料形狀采用圓形。粗骨料粒徑范圍取5～20 mm，并在3個(gè)級配段(5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm)內(nèi)隨機(jī)生成，滿足Fuller連續(xù)級配。根據(jù)已有研究結(jié)果[15]，界面過渡區(qū)厚度在0～100 μm之間，為簡化研究和提高計(jì)算效率，取界面過渡區(qū)厚度為100 μm。分別生成粗骨料含量為0、0.15、0.3、0.45、0.6的隨機(jī)骨料模型，細(xì)觀隨機(jī)骨料模型如圖7所示，將生成的隨機(jī)粗骨料模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics有限元軟件，進(jìn)行參數(shù)輸入和網(wǎng)格劃分，圖8是模型有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖7 二維隨機(jī)骨料模型Fig.7 Two-dimensional random aggregate model

圖8 模型有限元網(wǎng)格劃分Fig.8 Model finite element meshing

3.2 模型驗(yàn)證

混凝土在細(xì)觀上的3種組成成分具有不同的擴(kuò)散性能，為了驗(yàn)證所建立數(shù)值模擬方法的有效性，將試驗(yàn)得到的粗骨料含量為0時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)作為砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，DC=7.476×10-12m2/s；根據(jù)已有研究[15]，界面區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)是砂漿擴(kuò)散系數(shù)的1～100倍，模擬取界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)是砂漿中的10倍，DI=74.76×10-12m2/s；粗骨料由于滲透系數(shù)非常小，可認(rèn)為是不滲透的，其擴(kuò)散系數(shù)為零。設(shè)定混凝土表面氯離子濃度為0.5%，混凝土中初始氯離子濃度為零。取侵蝕時(shí)間為240、270、300 d，將不同侵蝕時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)侵蝕時(shí)間取270 d時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，快速試驗(yàn)的結(jié)果與模擬結(jié)果吻合性較好，說明RCM快速測氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)果與慢速的270 d的侵蝕效果相當(dāng)，二者的對比如圖9所示。

圖9 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation results with test results

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

3.3.1 不同粗骨料含量的影響 為進(jìn)一步明確不同粗骨料含量對氯離子擴(kuò)散性能的影響，對不同粗骨料含量下深度與氯離子濃度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。隨著粗骨料含量的增加，相同深度處氯離子含量減少，粗骨料含量增加阻礙了氯離子的擴(kuò)散性能。

圖10 氯離子擴(kuò)散深度與濃度之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between chloride ion diffusion depth and concentration

3.3.2 不同界面區(qū)厚度及界面區(qū)擴(kuò)散性能的影響 界面區(qū)有較高的水灰比和孔隙率，會增強(qiáng)氯離子在混凝土中的滲透性能[16]。取界面區(qū)厚度25、50、75、100 μm及界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)與砂漿擴(kuò)散系數(shù)比值DI/DC=10、40、70、100，進(jìn)行數(shù)值分析。圖11、圖12是上述條件得到的模擬結(jié)果，從圖11可以看出，隨著界面區(qū)厚度增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加，當(dāng)DI/DC分別為10、40、70、100時(shí)，隨著界面區(qū)厚度從25 μm增至100 μm，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別增加27.73%、64.41%、77.54%、82.01%，說明界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)越大，界面區(qū)厚度對混凝土中氯離子擴(kuò)散影響越顯著。圖12是當(dāng)界面區(qū)厚度不同時(shí)，侵蝕深度與氯離子濃度的關(guān)系，由圖12可以看出，隨著界面區(qū)厚度的增加，相同深度處氯離子含量增加。

圖11 界面區(qū)厚度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between interface region thickness and chloride ion diffusion coefficient

圖12 氯離子擴(kuò)散深度與濃度之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between chloride ion diffusion depth and concentration

4 結(jié)論

通過氯離子快速滲透試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)以及細(xì)觀數(shù)值分析法，研究了不同體積分?jǐn)?shù)粗骨料、水膠比、孔隙率等細(xì)觀參數(shù)對混凝土抗氯離子滲透性的影響，得到如下主要結(jié)論：

1)當(dāng)粗骨料含量增加時(shí)，界面區(qū)也在增加，但粗骨料含量增加對氯離子侵蝕作用產(chǎn)生的曲折效應(yīng)和稀釋效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，隨著粗骨料含量增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，混凝土抗氯離子侵蝕性能增強(qiáng)。

2)不同水膠比的混凝土孔隙主要分布在5～100 nm之間，且水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)和孔隙率均有較好的相關(guān)性，進(jìn)一步分析得到了孔隙率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系，對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，得出相應(yīng)關(guān)系式。

3)從細(xì)觀角度出發(fā)，將混凝土看作由粗骨料、砂漿和界面區(qū)組成的復(fù)合材料，通過編程建立混凝土細(xì)觀隨機(jī)粗骨料模型，通過試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的有效性。隨著界面區(qū)厚度和界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)的增加，氯離子滲透加快，表現(xiàn)為促進(jìn)作用，而且界面區(qū)擴(kuò)散系數(shù)越大，界面區(qū)厚度對混凝土中氯離子擴(kuò)散影響越顯著。