混凝土中氯離子滲透的試驗與細觀數(shù)值分析

金立兵 王珍 王振清 張慶章 梁新亞

摘 要：采用試驗研究與數(shù)值模擬相結合的方法，從細觀角度研究了粗骨料含量、界面區(qū)和孔隙率等對混凝土中氯離子滲透性能的影響。通過氯離子擴散系數(shù)快速測定RCM試驗和壓汞試驗，分析了不同粗骨料含量、水膠比、孔隙率與氯離子擴散系數(shù)的關系;通過編寫程序建立混凝土細觀隨機骨料模型，進而對氯離子的擴散性能進行數(shù)值模擬，分析了粗骨料含量和界面區(qū)等細觀參數(shù)對氯離子滲透擴散的影響。結果表明：數(shù)值模擬與試驗結果吻合性較好，驗證了細觀數(shù)值模型的有效性;氯離子擴散系數(shù)隨粗骨料含量的增加而降低;混凝土孔隙率隨水膠比的增加而增大，進而增加混凝土的滲透性;混凝土的滲透性能隨著界面區(qū)厚度和界面區(qū)擴散系數(shù)的增加而增大。

關鍵詞：氯離子;混凝土;粗骨料;孔隙率;水膠比;界面區(qū)

中圖分類號：TU528.01 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）06-0118-07

Abstract： Using a combination of experimental research and numerical simulation， the effects of coarse aggregate content， interface area， and porosity on the permeability of chloridion in concrete were studied from a mesoscopic perspective.Firstly， through the RCM chloridion diffusion coefficient rapid determination test and mercury injection test， the relationship between different coarse aggregate content， water-binder ratio， porosity and chloride ionization diffusion coefficient was analyzed; then a program was established to build a concrete meso-random random aggregate model. Furthermore， the numerical simulation of chloridion diffusion performance was conducted， and the effects of meso-parameters such as coarse aggregate content and interface area on the permeation and diffusion of chloridion were analyzed.The results show that the numerical simulation is in good agreement with the test results， verifying the validity of the meso-scale numerical model; the chloridion diffusion coefficient decreases with increasing coarse aggregate content; the concrete porosity increases with increasing water-binder ratio， and further Increase the permeability of concrete; the permeability of concrete increases with the thickness of the interface zone and the diffusion coefficient of the interface zone.

Keywords：chloridion; concrete; coarse aggregate; porosity; water-binder ratio; interface area

氯離子對混凝土的侵蝕可引起鋼筋銹蝕及結構承載力降低，是海洋環(huán)境中混凝土結構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]?；炷潦且环N復雜的、非均質的復合材料，在細觀上可以看成由砂漿、粗骨料、界面區(qū)組成的三相復合結構，各組成部分的滲透性能各不相同[4]。因此，從細觀層次出發(fā)，研究氯離子在混凝土內的傳輸規(guī)律對混凝土耐久性設計以及壽命預測具有重要意義。

在現(xiàn)有研究中，大多是將混凝土看成宏觀上的均質材料，從細觀角度研究混凝土中氯離子傳輸性能的還比較少[5]。從細觀層次上研究氯離子在混凝土中的侵蝕規(guī)律，學者們已經(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)擴散性能等方面進行研究。吳靜新[6]從細觀層次研究了界面過渡區(qū)厚度、界面過渡區(qū)擴散性能對混凝土中氯離子擴散滲透的影響。Zheng等[7]應用加速試驗研究了粗骨料長細比對混凝土中氯離子擴散的影響。虞愛平等[8]通過試驗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?，提出了氯離子擴散預測模型。

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

1 試驗研究

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散的影響，分別設計5組不同粗骨料含量試件、5組不同水膠比試件，進行RCM試驗和壓汞試驗。試驗采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5級，密度為3 060 kg/m3;細骨料為天然河沙，細度模數(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。

1.2 試驗過程

1.2.1 試件制備

根據(jù)《混凝土耐久性設計與施工指南》（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)護水槽中（溫度20±2 ℃）養(yǎng)護21 d，然后切割成Φ100 mm×50 mm的標準尺寸試件，并繼續(xù)在養(yǎng)護水槽中養(yǎng)護至試驗齡期28 d。

混凝土標準養(yǎng)護到28 d齡期后，進行壓汞試樣制作，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散系數(shù)

對制備好的待測標準試件進行RCM試驗，具體試驗過程參見《混凝土耐久性設計與施工指南》（CCES 01—2004），在進行試件安裝之前，進行120±20 s的超聲浴處理，然后將準備好的試件安裝在RCM設備上。試驗結束后，立即將試件在壓力試驗機上沿直徑方向劈開，并噴涂0.1 mol/L AgNO3溶液，測量氯離子擴散深度，并根據(jù)測量得到的氯離子擴散深度計算氯離子擴散系數(shù)。

1.2.3 壓汞法測混凝土孔結構

壓汞法是測定混凝土細觀孔結構特征的常用方法，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公司生產的Autopore IV9500型壓汞儀進行壓汞測試，測試環(huán)境在恒溫25 ℃，濕度60%±5%環(huán)境下進行，最大壓力227.53 MPa，可測量孔徑范圍為0.005～1 000 μm。

2 試驗結果分析

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、稀釋效應、界面效應等，其中前兩種作用會降低氯離子傳輸，而界面效應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散系數(shù)之間的關系如圖1所示，由圖1可見，隨著粗骨料含量的增加，氯離子擴散系數(shù)逐漸降低，當粗骨料含量為60%時，此時氯離子擴散系數(shù)與純砂漿擴散系數(shù)相比減少65.18%。這一結果表明，當粗骨料含量增加時，曲折效應和稀釋效應占據(jù)主導地位，使混凝土滲透能力降低。將試驗測得的粗骨料含量與氯離子擴散系數(shù)的關系進行擬合分析，得到關系式（1），相關系數(shù)R2=0.973 4，不同粗骨料含量與氯離子擴散系數(shù)關系的擬合曲線如圖1所示。

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）壓汞試樣測試結果（圖2和圖3分別為孔徑與累計孔體積、孔徑與孔體積增量的分布關系）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。由壓汞試驗得到砂漿孔隙率，根據(jù)粗骨料含量可以進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，二者有較好的相關性，將水膠比與混凝土孔隙率的關系進行擬合分析，得到關系式（2），相關系數(shù)R2=0.977 4，不同水膠比與混凝土孔隙率關系的擬合曲線如圖4所示。

圖5為試驗測得的水膠比與氯離子擴散系數(shù)之間的關系，從圖5可以看出，隨著水膠比的增大，氯離子擴散系數(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。這主要是因為水膠比增加時，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。將試驗測得的水膠比與氯離子擴散系數(shù)的關系及孔隙率與水膠比的關系進行擬合分析，得到關系式（3）、關系式（4），相關系數(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散系數(shù)關系的擬合曲線如圖5、圖6所示。

3 飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土中傳輸?shù)募氂^數(shù)值研究

3.1 細觀模型建立

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)擴散性能等一系列細觀參數(shù)對混凝土滲透能力的影響，從細觀角度出發(fā)，將混凝土看成由粗骨料、砂漿、界面區(qū)組成的復合材料，利用Matlab程序軟件，隨機生成粗骨料模型。以100 mm×100 mm二維隨機粗骨料模型為研究對象，由于粗骨料形狀對氯離子擴散影響很小[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個級配段（5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm）內隨機生成，滿足Fuller連續(xù)級配。根據(jù)已有研究結果[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的隨機骨料模型，細觀隨機骨料模型如圖7所示，將生成的隨機粗骨料模型導入COMSOL Multiphysics有限元軟件，進行參數(shù)輸入和網(wǎng)格劃分，圖8是模型有限元網(wǎng)格劃分結果。

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（編輯 胡玲）