對流效應(yīng)對氯離子侵蝕混凝土過程的影響

李榮濤

(大連大學(xué)，遼寧省高校復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116622)

耐久性是混凝土重要性能之一，它是使混凝土在各種實(shí)際使用條件下都能抵抗外界破壞因素的作用，并能保持材料強(qiáng)度和外觀完整性的一種能力。但根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境和設(shè)計(jì)規(guī)范的不同，混凝土的耐久性要求也會不同。因此，為了獲得實(shí)際工程中所需的材料耐久性，工程師們就必須要了解各種可能導(dǎo)致材料耐久性降低的因素和機(jī)理。

荷載或不利外界環(huán)境引起材料初始性能的改變是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性喪失的主要原因之一，如在雨雪天氣或沿海區(qū)域所發(fā)生的氯離子侵蝕混凝土而導(dǎo)致鋼筋銹蝕的現(xiàn)象就屬于這種情況。因此對于氯鹽環(huán)境下，提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力是保證結(jié)構(gòu)耐久性的重要任務(wù)之一，而全面了解氯離子侵蝕混凝土的影響因素則是前提與關(guān)鍵。

近年來，混凝土中氯離子輸運(yùn)過程研究的數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析在中外相繼開展。Maha[1]在假定混凝土材料處于飽和狀態(tài)下，利用有限差分方法數(shù)值模擬了混凝土柱中氯離子的擴(kuò)散侵蝕過程。Morga等[2]針對圓形截面的鋼筋混凝土構(gòu)件提出了利用Fick定律分析氯離子侵蝕過程的解析法，并同基于經(jīng)典平板模型的解析法結(jié)果進(jìn)行了對比。蔣瓊明等[3]通過粉煤灰混凝土的氯離子快速擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，分析了粉煤灰的摻量對混凝土的擴(kuò)散系數(shù)及氯離子結(jié)合能力的影響，并利用解析模型研究了粉煤灰摻量對混凝土服役壽命的影響規(guī)律。屈春來等[4]采用非線性氯離子吸附模型與溫度耦合的數(shù)值計(jì)算方法，分析了不同溫度梯度條件下混凝土氯離子擴(kuò)散規(guī)律。李杰等[5]以氯離子擴(kuò)散Fick第二定律模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行飽和狀態(tài)下混凝土的氯離子侵蝕模擬研究。王晉寶等[6]采用自然擴(kuò)散法研究了混凝土在海洋環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散行為，探討了水灰比、溫度、干濕循環(huán)和溫度循環(huán)對混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響。綜上所述，雖然目前已開展的研究工作初步掌握了氯離子的分布規(guī)律，分析了侵蝕過程的影響因素和抗侵蝕措施，但絕大多數(shù)研究的前提要么認(rèn)為混凝土在飽和狀態(tài)下，或者單純考慮氯離子以擴(kuò)散方式傳輸，而溫度或濕度等環(huán)境因素的影響也很少加以考慮，此外由于受到分析方法、試驗(yàn)裝置和測試手段的限制，因此所得的分析結(jié)果還存在相當(dāng)?shù)木窒扌??；诖耍紫冉⒘硕嘞囫詈系穆入x子侵蝕模型，基于有限元方法利用數(shù)值模擬手段分析真實(shí)情況下非飽和混凝土中的氯離子遷移過程[6-7]。然后基于此模型，進(jìn)一步探討了非飽和狀態(tài)下對流效應(yīng)對氯離子侵蝕混凝土過程的影響?？蔀榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性評估與設(shè)計(jì)的重要參考。

1 熱-濕-氣耦合影響下的氯離子侵蝕模型

在非飽和狀態(tài)下假設(shè)混凝土為各向同性均質(zhì)材料，混合氣相、混合液相和固態(tài)氯鹽相將在材料孔隙中同時存在?？紫吨谢旌弦合嘁暈槔硐肴芤?，由液態(tài)水和溶解氯鹽組成，且假設(shè)只溶解一種氯鹽；混合氣相視為理想氣體，由于空氣和水蒸氣構(gòu)成。由多相系統(tǒng)體積平均化理論[8]，宏觀下各相及組成部分的質(zhì)量守恒偏微分方程組為

(1)

描述孔隙液相中氯鹽質(zhì)量守恒的控制方程可進(jìn)一步擴(kuò)展為

(2)

式(2)中：ξ為液相溶解鹽分的質(zhì)量濃度，kg/kg；ρl為孔隙液相的質(zhì)量密度，kg/m3；n為孔隙率；Sl為孔隙液相飽和度；Dh為氯離子在液相中的擴(kuò)散張量，m2/s；vls表示液相在孔隙中的流動速度，m/s；?·(ρlDh?ξ)表示擴(kuò)散效應(yīng)對混凝土中離子傳輸過程的影響；對流效應(yīng)影響由?·(ξρlnSlvls)描述。

考慮毛細(xì)、滲透作用下，氯離子隨孔隙溶液遷移的對流過程符合Darcy定律[9]，可表示為

(3)

式(3)中：ka為絕對滲透率張量；g為重力加速度張量；krl為相對滲透率系數(shù)，可以表示為孔隙液相飽和度Sl的函數(shù)[10]；pl為孔隙溶液壓力；μl為孔隙溶液黏性系數(shù)，Pa·s，考慮溫度和鹽分濃度影響的黏性系數(shù)公式為[11]

μl=μwT(1+A1ξ+A2ξ2+A3ξ3)

(4)

式(4)中：系數(shù)A1=1.85；系數(shù)A2=-4.1；系數(shù)A3=44.5；μwT為相應(yīng)溫度下純水動態(tài)黏性系數(shù)。

環(huán)境溫度的變化會使熱量在材料內(nèi)部以熱傳導(dǎo)和熱對流形式傳輸，并且會影響到氯離子的侵蝕過程，在同時考慮到水分和鹽分的相變吸放熱現(xiàn)象后，模型中的控制能量守恒方程為[9]

(5)

式(5)中：T表示溫度，K；ρ為材料平均密度；Cp和λeff分別為材料的平均熱容[單位：J/(kg·K)]和有效熱傳導(dǎo)系數(shù)[單位：W/(m·K)]；Cpπ和ρπ(π=l、g，其中l(wèi)表示液相，g表示氣相)分別代表孔隙混合液相和混合氣相的等壓熱容[單位：J/(kg·K)]和表觀密度(單位：kg/m)；vgs表示氣相在孔隙中的流動速度，m/s；Δhv和Δhp分別為水的蒸發(fā)焓和鹽分的結(jié)晶焓，J/kg。

為數(shù)值求解構(gòu)成模型的耦合控制方程組，模型以骨架位移u、氣相壓力pg、毛細(xì)壓力pc、ξ和T)為未知變量，基于有限單元法對其進(jìn)行空間離散，可得

(6)

式(6)中：X=[u,pg,pc,ξ,T]T；C、K和f為方程離散后的耦合系數(shù)矩陣。然后利用全隱式有限差分法進(jìn)行時域離散得

f(Xn+1)=0

(7)

最后采用牛頓-拉夫遜迭代法進(jìn)行求解，得

(8)

式中：ψ為函數(shù)ψ(Xn+1)；Xn+1、Xn為分別為tn+1和tn時刻下的基本未知向量；Δt為時間步長；k為迭代步標(biāo)記。

2 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模型與計(jì)算方法在模擬混凝土中氯離子傳輸過程的可靠性，分別選取Cerny等[12]和Rucker等[13]所進(jìn)行的恒溫恒濕環(huán)境下的氯離子傳輸試驗(yàn)開展數(shù)值模擬分析，最終兩次的模型計(jì)算結(jié)果均顯示出與實(shí)測結(jié)果具有良好的吻合性。

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)證1

Cerny等[12]的試驗(yàn)試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，齡期28 d后放置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(相對濕度45%，溫度20～22 ℃)進(jìn)行自然干燥數(shù)周，然后試件的一端暴露于氯離子質(zhì)量濃度為1.82%NaCl溶液中，其余各面均使用環(huán)氧樹脂密封。為了解試件被侵蝕狀況，試驗(yàn)中選取1、24 h和7 d時間點(diǎn)分別對3組試件進(jìn)行切片，然后采用稱重法確定相應(yīng)位置處材料的水分含量，而氯鹽含量的測定則使用濁度法。利用本文模型將此問題模型化為一維瞬態(tài)鹽分傳輸問題，初始材料孔隙液相飽和度為0.1，氯鹽含量為0，孔隙率為0.13，固有滲透率為3×10-20m2。有限元模型網(wǎng)格剖分如圖1所示，表1給出相應(yīng)邊界ABCD的邊界條件。在浸入NaCl溶液1、24 h和7 d后，圖2中給出了相應(yīng)時刻下的模型預(yù)測值與試驗(yàn)測定值。

圖1 一維問題的有限元網(wǎng)格剖分Fig.1 Finite element mesh for 1D problem

表1 邊界條件

圖2 t=1、24 h和7 d下數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.2 Comparison of the numerical results with the experimental data at t=1, 24 h and 7 d

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證2

Rucker等[13]試驗(yàn)中試件尺寸為5 mm×5 mm×130 mm，室溫干燥后在橫向四周表面涂覆上防水隔熱涂料，然后將試件縱向未涂涂料一端浸入NaCl飽和溶液中，從而NaCl將會從此處不斷侵蝕試件。為測定試件中鹽分與水分的分布情況，試驗(yàn)中分別使用了核磁共振法和伽馬射線吸收法?；趯?shí)際試驗(yàn)條件，利用本文模型對該試驗(yàn)進(jìn)行2.1節(jié)中相似的數(shù)值模擬分析，圖3分別給出在浸入NaCl溶液2、4.5、8、22 h后的試件中數(shù)值預(yù)測值和試驗(yàn)測定值。

圖4 混凝土板的幾何尺寸及邊界條件Fig.4 Geometry and boundary conditions for the concrete slab

3 對流效應(yīng)對氯離子侵蝕過程的影響分析

為分析對流效應(yīng)對氯離子侵蝕混凝土過程的影響，假設(shè)厚度為6 cm的混凝土板試件，初始時材料內(nèi)無氯離子存在，試件經(jīng)三面隔濕絕熱封閉后放置于質(zhì)量濃度為8%的NaCl溶液中，如圖4所示。針對試件的初始孔隙液相飽和度分別為0.3、0.5、0.7和0.96，即3種非飽和狀態(tài)與飽和狀態(tài)，進(jìn)行4次數(shù)值計(jì)算對比分析。數(shù)值計(jì)算中主要材料參數(shù)：混凝土孔隙率為0.12、滲透率為1.2×10-22m2、氯離子擴(kuò)散系數(shù)為10-9m2/s。

3.1 飽和與非飽和狀態(tài)下的對比分析

針對初始孔隙液相飽和度為0.5(非飽和)和0.96(飽和)，圖5中給出了1、6個月、1、2、3 a后試件內(nèi)的鹽分濃度分布。由于非飽和狀態(tài)下材料孔隙中存在較大的毛細(xì)壓力差，因此可以觀察到，受水分傳輸產(chǎn)生的對流效應(yīng)影響，與飽和狀態(tài)下相比，非飽和混凝土中鹽分遷移的更快；同時還能看出，對流效應(yīng)的影響效果會隨著時間逐漸減弱，這是因?yàn)榘殡S著水分在混凝土中的不斷傳輸，如圖6所示，材料孔隙液相飽和度將會逐步增大，并且水分的傳輸速度通常大于氯離子的遷移速度[14]，當(dāng)材料孔隙中的水分先于氯離子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，氯離子的傳輸機(jī)理將以擴(kuò)散過程為主，最終3 a后初始兩種飽和度狀態(tài)下的混凝土中將具有相同的鹽分濃度分布規(guī)律。

圖7給出了至試件侵蝕面距離分別為10、30、50 mm處的鹽分濃度隨時間變化。從圖7可以看出，非飽和混凝土中不同位置處的鹽分濃度均高于飽和狀態(tài)下相應(yīng)位置的濃度值，且兩者差值隨時間都是先增大后減小，而當(dāng)水分完全侵透混凝土后，即材料由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，兩者數(shù)值最終將趨于一致；同時還能看出，距離侵蝕面越近兩者差值變化越顯著，這是由于非飽和混凝土中距侵蝕面越近，毛細(xì)壓力差越大，對流效應(yīng)越劇烈。

圖5 飽和與非飽和混凝土中孔隙溶液鹽分濃度分布Fig.5 Distribution of dissolved salt concentration in saturated and unsaturated concrete

圖6 非飽和混凝土孔隙液相飽和度分布Fig.6 Distribution of saturation degree with the liquid phase in unsaturated concrete

圖7 不同深度處鹽分濃度變化Fig.7 Profile of dissolved salt concentration at different depths

3.2 不同飽和度下的對比分析

針對初始孔隙液相飽和度為0.3、0.5和0.7 3種非飽和狀態(tài)，圖8中給出了1個月、6個月、1、2、3 a后試件內(nèi)的鹽分濃度分布。可以觀察到，在氯離子侵蝕的前2 a，混凝土初始含水率越低，氯離子在材料中的傳輸過程就越快，這是因?yàn)槌跏伎紫兑合囡柡投仍叫?，侵蝕面與材料內(nèi)部的毛細(xì)壓力差就越大，從而對流效應(yīng)對氯離子傳輸?shù)挠绊懢驮斤@著；但隨著混凝土中含水率的不斷增大，材料趨于飽和狀態(tài)(圖9)，氯離子對流傳輸現(xiàn)象將會不斷減弱，而擴(kuò)散過程將在氯離子的傳輸中占據(jù)主導(dǎo)，2 a后3種不同初始飽和度狀態(tài)下的混凝土中最終將具有相同的鹽分濃度分布規(guī)律。

圖8 不同初始孔隙飽和度下的鹽分濃度分布Fig.8 Distribution of dissolved salt concentration at different initial saturation degrees

圖9 不同初始孔隙飽和度下的液相飽和度分布Fig.9 Distribution of saturation degree with the liquid phase at different initial saturation degrees

4 結(jié)論

(1)在分析非飽和混凝土中氯離子侵蝕問題時，氯離子的傳輸過程要同時受到對流和擴(kuò)散兩種傳輸機(jī)理控制，短期內(nèi)(混凝土未飽和之前)對流作用的影響效果要大于擴(kuò)散作用，對流效應(yīng)會加快氯離子的傳輸過程，而從長期角度則氯離子的傳輸將主要以擴(kuò)散過程為主。

(2)非飽和混凝土中距侵蝕面越近，毛細(xì)壓力差越大，對流效應(yīng)越劇烈；混凝土初始含水率越低，氯離子在材料中的傳輸過程就越快，對流效應(yīng)對氯離子傳輸?shù)挠绊懢驮斤@著。

(3)工程實(shí)際中的混凝土結(jié)構(gòu)材料很少處于飽和狀態(tài)，而非飽和狀態(tài)下混凝土中氯離子的遷移方式應(yīng)既含有擴(kuò)散過程，還需考慮毛細(xì)、滲透等對流作用，因此研究結(jié)果將可有效用于實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估與設(shè)計(jì)中。