鋼筋對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的阻擋效應(yīng)預(yù)測(cè)模型

吳林鍵, 鞠學(xué)莉, 馬原飛, 管 理

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074; 3.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074)

氯鹽環(huán)境下,由于氯離子侵蝕所誘發(fā)的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性失效破壞的最主要原因[1].揭示鋼筋混凝土中氯離子的傳輸機(jī)理和侵蝕過(guò)程,對(duì)于延緩因鋼筋銹蝕所引起的混凝土保護(hù)層開裂,提高結(jié)構(gòu)在惡劣服役環(huán)境下的耐久性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[2].

從細(xì)觀層面上來(lái)看,鋼筋混凝土是由水,水泥,粗、細(xì)集料,鋼筋等構(gòu)成的多相復(fù)合材料[3].鋼筋作為其中的主要組成部分,其存在會(huì)導(dǎo)致氯離子在鋼筋表面出現(xiàn)堆疊和聚集現(xiàn)象,使鋼筋前沿區(qū)域內(nèi)氯離子濃度值較相同深度處無(wú)鋼筋時(shí)要大,這一現(xiàn)象稱為鋼筋阻擋效應(yīng)[4].該現(xiàn)象早在20世紀(jì)90年代末被Hansen等[5]首次發(fā)現(xiàn),并指出在實(shí)際工程中,若不考慮鋼筋對(duì)氯離子侵蝕的阻擋效應(yīng),則評(píng)估得到的鋼筋初銹時(shí)間會(huì)比考慮鋼筋阻擋效應(yīng)時(shí)更長(zhǎng),這樣的預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際情況更危險(xiǎn).

Wang等[4,6-9]通過(guò)開展不同暴露環(huán)境下的鋼筋混凝土中氯離子侵蝕物理試驗(yàn),探討了鋼筋對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散特性的影響.Kranc等[10-16]基于有限元基本原理,通過(guò)建立鋼筋混凝土的宏觀、細(xì)觀數(shù)值模型,對(duì)氯離子的擴(kuò)散行為進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析.然而,已有研究成果大多在宏觀層面上定性指出了鋼筋對(duì)氯離子擴(kuò)散的阻擋效應(yīng),少量根據(jù)物理試驗(yàn)建立的預(yù)測(cè)模型中也并未從細(xì)觀本質(zhì)上去量化鋼筋阻擋效應(yīng)對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響程度.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文通過(guò)開展人工模擬海洋潮汐環(huán)境干濕交替作用下混凝土和鋼筋混凝土試件中氯離子自然擴(kuò)散室內(nèi)物理試驗(yàn),得到不同擴(kuò)散時(shí)間下試件中氯離子的含量分布;在此基礎(chǔ)上,深度研究鋼筋對(duì)混凝土中氯離子侵蝕擴(kuò)散的阻擋效應(yīng),基于圖像技術(shù)在細(xì)觀層面上量化了鋼筋間接阻擋效應(yīng)對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響;通過(guò)引入鋼筋的間接和直接阻擋效應(yīng)系數(shù)對(duì)Fick第二擴(kuò)散定律的誤差函數(shù)解析解表達(dá)式進(jìn)行修正,建立了考慮鋼筋阻擋效應(yīng)的混凝土中氯離子含量預(yù)測(cè)模型,并應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)模型的正確性.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(OPC)作為膠凝材料;采用公稱粒徑5～20mm的連續(xù)級(jí)配天然碎石作為粗集料,其表觀密度為2.69×103kg/m3;采用連續(xù)級(jí)配的淡水河砂作為細(xì)集料,其細(xì)度模數(shù)為2.6;選用HPB300熱軋光圓鋼筋作為鋼筋原材料,其直徑dr=16mm.為避免原材料中含有的氯化物對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的影響,采用蒸餾水作為拌和用水.根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35的混凝土,其配合比見表1.其中,水灰比(1)文中涉及的比值、含量等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).mw/mc=0.4,粗集料體積分?jǐn)?shù)φca=0.42.

表1 混凝土配合比

1.2 試件制備

根據(jù)表1中的配合比制備得到混凝土(C)和鋼筋混凝土(RC)試件,前者幾何尺寸為100mm×100mm×400mm,后者幾何尺寸為100mm×100mm×360mm,鋼筋混凝土試件的保護(hù)層厚度為20mm.混凝土試件記作C-35、C-70、C-100、C-135、C-170、C-200和C-240,對(duì)應(yīng)的氯離子擴(kuò)散時(shí)間t=35、70、100、135、170、200、240d;鋼筋混凝土試件記作RC-100、RC-135、RC-170、RC-200、RC-240,對(duì)應(yīng)的氯離子擴(kuò)散時(shí)間t=100、135、170、200、240d.將澆筑好的全部試件經(jīng)充分振搗密實(shí)后移至(20±3)℃,相對(duì)濕度RH>90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h后拆模.隨后將其浸泡于飽和Ca(OH)2溶液中持續(xù)養(yǎng)護(hù)28d后取出,待試件風(fēng)干后刮去其表面浮漿,利用切割機(jī)沿試件400mm長(zhǎng)邊方向,將其分成3個(gè)100mm×100mm×100mm的平行試件.各試件在除擴(kuò)散面以外的其余5個(gè)表面上涂抹環(huán)氧樹脂以保證氯離子在混凝土中的一維擴(kuò)散.其中,混凝土試件可取任意表面作為擴(kuò)散面,鋼筋混凝土試件的擴(kuò)散面見圖1.

圖1 鋼筋混凝土試件取樣方式Fig.1 Sampling of reinforced concrete specimens

1.3 試件暴露環(huán)境及氯離子濃度測(cè)試

人工配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液來(lái)模擬天然海水,通過(guò)在固定的時(shí)刻向腐蝕試驗(yàn)池內(nèi)灌入或排出NaCl溶液來(lái)人工模擬海洋潮汐環(huán)境的干濕交替過(guò)程[17].取干濕循環(huán)周期為24h,其中浸泡12h,風(fēng)干12h.為保證腐蝕環(huán)境中氯離子的濃度,試驗(yàn)過(guò)程中人工海水需7d更換1次.試驗(yàn)控制環(huán)境溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度95%±5%.

當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間分別達(dá)到35、70、100、135、170、200、240d時(shí),取出對(duì)應(yīng)試件進(jìn)行清洗并干燥.對(duì)于混凝土試件,從其擴(kuò)散表面起沿氯離子擴(kuò)散深度(x)方向逐層磨粉取樣,當(dāng)x=0～6mm及x=18～19mm時(shí),按1mm/層進(jìn)行研磨,其余深度處按2mm/層進(jìn)行研磨,共計(jì)13層;對(duì)于鋼筋混凝土試件,根據(jù)圖1所示的孔位分布,采用直徑為3mm的金剛鉆頭沿著平行于鋼筋長(zhǎng)度方向鉆取不同孔位處的粉末樣品,鉆孔深度為3cm.

根據(jù)JTJ 270—1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,測(cè)定粉末樣品中的自由氯離子含量(C).備注：在鋼筋混凝土試件取樣孔位布設(shè)過(guò)程中,分別考慮了x1=3.5mm、x2=8.5mm、x3=13.5mm和x4=18.5mm這4個(gè)等效深度(見圖1),這4個(gè)值包含在混凝土試件的13個(gè)取樣深度當(dāng)中,以便對(duì)比分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土中氯離子含量分布

實(shí)測(cè)得到各混凝土試件中氯離子含量(C)分布見圖2.由圖2可知：由于干濕交替的影響,氯離子在混凝土內(nèi)傳輸?shù)膶?duì)流作用將導(dǎo)致距離試件表層約2mm的對(duì)流區(qū)(CZ)內(nèi)氯離子含量隨擴(kuò)散深度增加而逐漸增大,這與已有文獻(xiàn)中所得結(jié)論相吻合[18-19];而在擴(kuò)散深度大于2mm的穩(wěn)定擴(kuò)散區(qū)(SDZ)內(nèi),氯離子含量隨擴(kuò)散深度增加而逐漸減小,隨擴(kuò)散時(shí)間增加而逐漸增大.

圖2 混凝土試件中實(shí)測(cè)氯離子含量分布Fig.2 Experimental chloride content profiles in concrete specimens

2.2 混凝土中氯離子含量預(yù)測(cè)模型

圖2中實(shí)測(cè)的混凝土中氯離子含量分布可基于Fick第二擴(kuò)散定律[4]來(lái)定量描述：

(1)

式中：D為氯離子擴(kuò)散系數(shù),m2/s.

考慮混凝土中的初始氯離子含量C0為0,即C(x>0,t=0)=C0=0;考慮表面氯離子含量Cs的時(shí)變特性,則有C(x=0,t≥0)=Cs(t);同時(shí)考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)變規(guī)律,則有D(t)=Dref·(tref/t)a[4],其中Dref為參考氯離子擴(kuò)散系數(shù),tref為參考擴(kuò)散時(shí)間,通常取tref=28d[4],a為齡期系數(shù).結(jié)合式(1),可得到同時(shí)滿足上述條件的Fick第二擴(kuò)散定律誤差函數(shù)解析解：

(2)

式中：Dapp(t)為表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù).

基于最小二乘法,采用式(2)中C(x,t)的表達(dá)式對(duì)圖2中實(shí)測(cè)氯離子含量進(jìn)行擬合,可回歸得到表面氯離子含量Cs和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dapp的散點(diǎn)隨t的變化規(guī)律,見圖3.從圖3可知：Cs隨著t的增加而逐漸增大;而Dapp隨著t的增加而逐漸減小.

圖3 表面氯離子含量和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)變規(guī)律及其擬合函數(shù)Fig.3 Time-dependency and fitting curves of surface chloride content and apparent chloride diffusion coefficient

采用對(duì)數(shù)函數(shù)[20]回歸得到Cs(t)的時(shí)變模型：Cs(t)=0.7568 lnt-2.2315(見圖3).同樣,利用式(2)中Dapp(t)的表達(dá)式對(duì)圖3中Dapp進(jìn)行回歸分析,可擬合得到Dref=3.09×10-12m2/s,a=0.441.將回歸得到的Cs(t)、Dref和a代入式(2)中,可建立混凝土中氯離子擴(kuò)散濃度預(yù)測(cè)模型(模型1).

為了驗(yàn)證模型1預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性,將基于模型1的氯離子含量預(yù)測(cè)值同混凝土試件中氯離子含量的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,見圖4.由圖4(a)可知：混凝土中氯離子含量的實(shí)測(cè)值與模型1的預(yù)測(cè)值吻合程度較高.從圖4(b)中可觀察到：基于模型1的氯離子含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在±15%的范圍內(nèi),進(jìn)一步驗(yàn)證了模型1預(yù)測(cè)值的精度.

圖4 混凝土試件中氯離子含量的實(shí)測(cè)值與模型1預(yù)測(cè)值對(duì)比分析Fig.4 Comparison of chloride content profiles for concrete specimens between the experiment results and predicted results from model 1

2.3 鋼筋混凝土中氯離子含量分布

鋼筋混凝土試件中實(shí)測(cè)氯離子含量等值線如圖5所示.由圖5可知：鋼筋混凝土中氯離子含量隨著擴(kuò)散時(shí)間t的增加而逐漸增加;氯離子在距離鋼筋前沿位置約5mm范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的堆疊現(xiàn)象;隨著擴(kuò)散深度x的減小,氯離子含量在該深度處差別不大.由此可見,鋼筋的存在會(huì)對(duì)其表面約5mm 范圍內(nèi)的氯離子含量分布造成顯著的影響.

圖5 鋼筋混凝土試件中實(shí)測(cè)氯離子含量分布等值線Fig.5 Chloride content isolines for RC specimens

2.4 鋼筋混凝土中氯離子含量預(yù)測(cè)模型

基于模型1計(jì)算得到當(dāng)t=100、135、170d時(shí)鋼筋混凝土試件中等效擴(kuò)散深度x=3.5、8.5、13.5、18.5mm位置的氯離子含量預(yù)測(cè)值,將之與鋼筋混凝土試件內(nèi)氯離子含量實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,見圖6.由圖6可見：鋼筋混凝土中氯離子含量實(shí)測(cè)值隨著擴(kuò)散時(shí)間t的增加而增加,隨著擴(kuò)散深度x的增加而減小;x=3.5、8.5、13.5mm位置距離鋼筋前沿相對(duì)較遠(yuǎn),氯離子含量的實(shí)測(cè)值與模型1的預(yù)測(cè)值基本吻合,二者相對(duì)誤差也大都在±25%的范圍內(nèi);當(dāng)x=18.5mm時(shí)(距離鋼筋最近的等效擴(kuò)散深度處),氯離子含量的實(shí)測(cè)值較模型1預(yù)測(cè)值更大,且相對(duì)誤差均超過(guò)±25%,表明采用模型1無(wú)法有效預(yù)測(cè)鋼筋前沿位置的氯離子含量.

圖6 鋼筋混凝土試驗(yàn)組試件中氯離子含量實(shí)測(cè)值與模型1預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparison of experimental and model 1 predicted chloride content for RC specimens of experimental groups

圖7中對(duì)比了當(dāng)x=18.5mm(對(duì)應(yīng)鋼筋前沿位置)時(shí)混凝土和鋼筋混凝土試件中氯離子含量實(shí)測(cè)值(見圖中無(wú)線條柱與左斜線柱).由圖7可知：鋼筋前沿位置處的氯離子含量明顯較高,其值約為無(wú)鋼筋時(shí)的2.3～2.7倍.已有研究表明[6-7]：直徑為16mm的鋼筋會(huì)令其前沿位置處氯離子含量增加約1.9～3.8倍[6]和2.17～2.69倍[7].綜上所述,鋼筋對(duì)氯離子擴(kuò)散的阻擋效應(yīng)不可忽略.然而,模型1僅可用于合理評(píng)估除鋼筋前沿位置以外深度處的氯離子含量,對(duì)鋼筋前沿位置處氯離子含量的預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏小.因此,有必要單獨(dú)針對(duì)鋼筋前沿位置的氯離子含量建立合適的預(yù)測(cè)模型,這對(duì)于實(shí)際工程中合理預(yù)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性服役壽命意義重大.

圖7 鋼筋前沿氯離子含量對(duì)比Fig.7 Comparison of the chloride content at the apex of rebar(x=18.5mm)

鋼筋對(duì)混凝土內(nèi)氯離子侵蝕擴(kuò)散的阻擋效應(yīng)可分為間接和直接2個(gè)部分[4].下文將分別針對(duì)這2個(gè)部分的相關(guān)內(nèi)容開展深入研究工作.

2.4.1基于細(xì)觀圖像技術(shù)的鋼筋間接阻擋效應(yīng)量化方法

鋼筋的存在會(huì)改變其前沿位置處混凝土的細(xì)觀構(gòu)成,即改變?cè)撐恢锰幋旨系暮考胺植?從而影響該位置處的氯離子擴(kuò)散系數(shù),該現(xiàn)象被稱作鋼筋間接阻擋效應(yīng)[4].為了量化鋼筋間接阻擋效應(yīng)對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,首先需確定鋼筋前沿位置處粗集料含量的具體分布情況.

采用切割機(jī)對(duì)1.2節(jié)中制備好的100mm×100mm×360mm的試驗(yàn)組鋼筋混凝土試件進(jìn)行分割,從同一塊試件中切出來(lái)3塊100mm×100mm×100mm的試件用于氯離子自然擴(kuò)散物理試驗(yàn),見圖8(a);余下的1塊100mm×100mm×60mm的試件再次切成2份用作圖像分析,見圖8(b);利用研磨拋光機(jī)對(duì)試件切面進(jìn)行加工,將其表面處理成粗集料和鋼筋，這二者與水泥砂漿之間呈現(xiàn)出明顯的顏色差異性;隨后采用固定焦距的高分辨率照相機(jī)拍攝得到試件切面的高清照片,見圖8(c).對(duì)該照片進(jìn)行灰度化、動(dòng)態(tài)二值化、消除顆粒粘連、消除邊界黑點(diǎn)、消除飛點(diǎn)、消除空心、圖像平滑等處理,可獲得試件切面的黑白圖,見圖8(d),其中白色代表鋼筋和粗集料,黑色則表示水泥砂漿.以鋼筋的圓周作為起始位置,保持與鋼筋圓心位置相同,以rr+Δi作為半徑逐步向外偏移繪制得到一系列同心圓.其中rr為鋼筋半徑：rr=8mm;Δi為增量,Δ1=1mm、Δ2=2mm等,以此類推.隨后,基于對(duì)黑白圖像中的顏色識(shí)別算法,可計(jì)算得到各等間距的同心圓環(huán)內(nèi)粗集料面積占圓環(huán)總面積的百分比,即同心圓環(huán)內(nèi)粗集料面積分?jǐn)?shù)Aca.

圖8 鋼筋外部同心圓環(huán)內(nèi)粗集料面積分?jǐn)?shù)Aca的實(shí)測(cè)方法Fig.8 Measured procedure of the area fraction of coarse aggregate within the concentric annulus near the external rebar, Aca(size:mm)

圖9展示了用于圖像分析的混凝土試件切面中Aca的實(shí)測(cè)值(圖中散點(diǎn))及其平均值(圖中點(diǎn)線)隨擴(kuò)散深度x的變化規(guī)律.由圖9可知：Aca平均值隨x的增加呈現(xiàn)出先平緩后降低的趨勢(shì).其中,平緩段的Aca值與試件中粗集料體積分?jǐn)?shù)φca=0.42十分接近;Aca出現(xiàn)顯著下降時(shí)所對(duì)應(yīng)的x取值范圍大約為16～20mm,這表明當(dāng)鋼筋存在時(shí)會(huì)削弱其前沿約4mm同心圓環(huán)范圍內(nèi)粗集料的含量.根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著粗集料含量的減小而線性增加,因此在鋼筋前沿位置處(x=16～20mm)氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)相比于無(wú)鋼筋時(shí)更大.

圖9 鋼筋混凝土試件中Aca沿氯離子擴(kuò)散深度x的變化規(guī)律Fig.9 Variation trend between Aca and x in reinforced concerete specimens

為了量化鋼筋對(duì)氯離子擴(kuò)散的間接阻擋效應(yīng),定義鋼筋的間接阻擋效應(yīng)系數(shù)IIb：

IIb(x/dr)=DrefAca(x/dr)/Dref

(3)

式中：x/dr為無(wú)因次化的擴(kuò)散深度;Dref[Aca(x/dr)]表示粗集料面積分?jǐn)?shù)為Aca時(shí)的參考氯離子擴(kuò)散系數(shù),Aca=Aca(x/dr).

根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知,當(dāng)混凝土中粗集料的體積分?jǐn)?shù)為φca時(shí),參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dref(φca)=Dref(0)·f(φca).其中,Dref(0)表示當(dāng)φca=0時(shí)的參考氯離子擴(kuò)散系數(shù),f(φca)為粗集料體積分?jǐn)?shù)影響系數(shù),干濕交替作用下f(φca)=1-0.8525φca.故式(3)可改寫為：

IIb(x/dr)=1.558-1.328×Aca(x/dr)

(4)

根據(jù)圖9中實(shí)測(cè)確定的鋼筋影響范圍(x=16～20mm),將x=16.5、17.5、18.5、19.5mm對(duì)應(yīng)的Aca值代入式(4)中,可計(jì)算得到IIb隨x/dr的變化規(guī)律,見圖10.由圖10可知：IIb隨著x/dr的增加而逐漸增加,這表明當(dāng)x越接近鋼筋位置時(shí),鋼筋對(duì)該深度處粗集料的含量及分布的影響就越大.根據(jù)IIb的變化規(guī)律,采用線性函數(shù)對(duì)其散點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合,可得到鋼筋間接阻擋效應(yīng)系數(shù)的擬合函數(shù)為：

圖10 鋼筋間接阻擋效應(yīng)系數(shù)及其擬合函數(shù)表達(dá)式Fig.10 Indirect blocking effect coefficients of rebar and its fitted function

(5)

聯(lián)立式(3)和式(5),令鋼筋混凝土中鋼筋前沿位置處的參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dref(rc)=Dref[Aca(x/dr)]=Dref·IIb(x/dr),將其代入模型1中去替代原有的混凝土參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dref,并保持其余各參數(shù)均不變,可建立得到考慮鋼筋間接阻擋效應(yīng)時(shí),在鋼筋前沿位置處(x=16～20mm)的氯離子含量預(yù)測(cè)模型(模型2),如下：

(6)

將鋼筋前沿位置處氯離子含量的實(shí)測(cè)值與模型2的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見圖7中左斜線柱與右斜線柱.由圖7可見：基于模型2的氯離子含量預(yù)測(cè)值比混凝土試件的實(shí)測(cè)值要大;比鋼筋混凝土試件的實(shí)測(cè)值要小.上述現(xiàn)象充分說(shuō)明鋼筋對(duì)氯離子含量的影響并非僅歸因于其間接阻擋效應(yīng),故還需在式(2)的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)一步修正.

2.4.2考慮鋼筋阻擋效應(yīng)的氯離子含量預(yù)測(cè)模型

除了鋼筋的間接阻擋效應(yīng)外,由于鋼筋是一種不透氯離子的介質(zhì),故其存在會(huì)直接阻擋混凝土中氯離子的擴(kuò)散,使得氯離子在鋼筋表面附近堆疊,最終導(dǎo)致鋼筋前沿位置處的氯離子含量較無(wú)鋼筋時(shí)更大,上述現(xiàn)象被稱之為鋼筋的直接阻擋效應(yīng)[4].為了量化鋼筋直接阻擋效應(yīng)對(duì)氯離子含量的影響,定義鋼筋的直接阻擋效應(yīng)系數(shù)IDb為：

IDb=Ce(x,t)/CIb(x,t)

(7)

式中：Ce(x,t)為當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間為t時(shí),在鋼筋前沿位置處(x=16～20mm)氯離子含量的實(shí)測(cè)值;CIb(x,t)為在對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間t時(shí)基于模型2計(jì)算得到的鋼筋前沿位置處(x=16～20mm)氯離子含量預(yù)測(cè)值.

分別將擴(kuò)散時(shí)間t=100、135、170d情況下Ce(x,t) 和CIb(x,t)的值代入式(7)中,可計(jì)算得到IDb的結(jié)果,見表2.

表2 鋼筋直接阻擋效應(yīng)系數(shù)

由表2可知：IDb隨t增加無(wú)顯著的變化規(guī)律,可認(rèn)為IDb與t不相關(guān).經(jīng)分析,鋼筋的直接阻擋效應(yīng)從本質(zhì)上可看作是鋼筋作為障礙物來(lái)直接阻擋氯離子的傳輸和遷移,故這種物理性阻礙機(jī)制對(duì)鋼筋前沿位置處氯離子含量的影響程度理應(yīng)僅與鋼筋本身的特性,如：鋼筋的致密性、直徑以及幾何形狀等相關(guān),而與其他影響因素?zé)o關(guān).因此,表2所反映的鋼筋直接阻擋效應(yīng)系數(shù)變化規(guī)律是合理的.IDb的散點(diǎn)與其平均值之間的相對(duì)誤差范圍在-1.296%～1.269%之間,故可取IDb的平均值1.780作為鋼筋的直接阻擋效應(yīng)系數(shù).

將IDb=1.780引入模型2中從而建立得到考慮鋼筋間接和直接阻擋效應(yīng)時(shí),在鋼筋影響范圍內(nèi)(x=16～20mm)的氯離子濃度預(yù)測(cè)模型(模型3)：

(8)

同樣,將氯離子含量實(shí)測(cè)值與模型3的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖7中左斜線柱與豎線柱.由圖7可見：基于模型3的氯離子含量預(yù)測(cè)值在數(shù)值大小和隨擴(kuò)散時(shí)間的變化趨勢(shì)上都與實(shí)測(cè)值吻合,充分驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型3及其評(píng)估結(jié)果的正確性.

3 結(jié)論

(1)混凝土和鋼筋混凝土試件中氯離子含量均隨著擴(kuò)散深度的增加而逐漸降低,隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加而逐漸增加.

(2)通過(guò)對(duì)混凝土試件中實(shí)測(cè)氯離子含量分布進(jìn)行回歸分析,建立了混凝土中氯離子含量預(yù)測(cè)模型(模型1).

(3)基于細(xì)觀圖像技術(shù),量化了鋼筋的間接阻擋效應(yīng)系數(shù)IIb;根據(jù)鋼筋混凝土試件中鋼筋前沿位置處氯離子含量實(shí)測(cè)值推算得到了鋼筋的直接阻擋效應(yīng)系數(shù)IDb;在此基礎(chǔ)上,建立了考慮鋼筋直接和間接阻擋效應(yīng)的氯離子含量預(yù)測(cè)模型(模型3).

(4)當(dāng)擴(kuò)散深度在鋼筋影響范圍內(nèi)(16～20mm)時(shí),應(yīng)采用模型3來(lái)預(yù)測(cè)鋼筋混凝土中的氯離子含量;當(dāng)擴(kuò)散深度超出上述鋼筋影響范圍時(shí),則應(yīng)使用模型1來(lái)預(yù)測(cè)鋼筋混凝土中的氯離子含量.