寒區(qū)高速公路混凝土護欄防腐涂層抗氯離子性能仿真研究

劉 澤

(天津新亞太工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300251)

0 前 言

每年冬季，我國北方的很多高速公路都會使用大量融雪劑清除路面兩側(cè)的積雪。氯鹽融雪劑的大量使用會造成混凝土構(gòu)件根部內(nèi)部鋼筋銹蝕或鹽結(jié)晶體積膨脹等而提前損壞?；炷镣繉臃雷o作為控制混凝土構(gòu)件腐蝕，延長構(gòu)件耐久性最有效、最經(jīng)濟的方法之一，在工程上受到廣泛應(yīng)用。因此，混凝土涂層的抗氯離子性能也成為工程單位關(guān)心的問題。從促進混凝土保護涂層產(chǎn)品發(fā)展、擴大工程應(yīng)用的角度講，開展混凝土防腐涂層抗氯離子性能的研究具有重要的學術(shù)意義及工程價值。

國內(nèi)外學者對氯鹽環(huán)境下混凝土構(gòu)件涂層抗氯離子侵蝕性能進行過廣泛的研究。曹菲菲[1]用試驗的方法，研究了硅樹脂涂層對混凝土試件的抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果顯示氯離子擴散系數(shù)減少了80.84%，提高了混凝土的耐久性。谷坤鵬等[2]通過試驗發(fā)現(xiàn)涂有環(huán)氧樹脂涂層的混凝土試件電通量大幅降低,對混凝土試件的抗氯離子侵蝕性能提高效果顯著。李偉華等[3]用試驗的方法研究了不同氟碳涂層體系對海洋環(huán)境下混凝土抗氯性能的影響，結(jié)果顯示溶劑型氟碳涂層更適用于該環(huán)境下的混凝土防護工程。黃微波等[4]用試驗的方法研究了聚氨酯涂層、聚脲涂層對混凝土氯離子滲透性的影響，結(jié)果表明，2種涂層均可有效降低混凝土內(nèi)的氯離子濃度。韓建軍等[5]研究了通過在不同涂層中加入一定量改性納米SiO2提高混凝土涂層抗氯離子性能的方法。目前國內(nèi)外對涂層性能的研究主要采用試驗的方法，通過制備不同配比、不同涂層的混凝土試件，進行高低溫、凍融循環(huán)、抗氯離子性能等試驗來獲得涂層的使用性能，工作量很大。本工作以混凝土涂層為研究對象，以涂刷混凝土涂層到混凝土失效為研究區(qū)間，定義氯離子滲入混凝土腐蝕鋼筋之前，混凝土層已出現(xiàn)剝落、松散的現(xiàn)象，便認為此時的涂層已失效。在此前提下借助COMSOL軟件的多物理場耦合分析功能，模擬氯離子在涂層和混凝土內(nèi)部的輸運過程，建立了不同擴散系數(shù)和不同施工厚度的涂層性能分析模型，通過仿真技術(shù)研究了鹽環(huán)境下混凝土涂層的使用性能。

1 融雪劑對混凝土涂層性能影響

目前國內(nèi)常用的融雪劑主要分為氯鹽型、非氯鹽型、混合型3大類。氯鹽型融雪劑的主要成分為氯鹽，主要代表性物質(zhì)包括氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣等。非氯鹽型融雪劑包括無機鹽、胺、醇、乙酸鉀等[6]。非氯鹽型融雪劑以美國DOT公司于20世紀80年代研制的醋酸鈣鎂鹽為主要代表[7]?；旌闲腿谘﹦┦菍⒙塞}型和非氯鹽型按照一定比例混合而成。3類融雪劑中，氯鹽類融雪劑價格相對最便宜，同時也是是使用歷史最長、使用規(guī)模最大的一類融雪劑[8]。

氯離子侵蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素之一[9]。位于寒區(qū)的高速公路，在冬季都要面臨降雪后的路面除雪問題，大量氯鹽融雪劑的使用，在實現(xiàn)快速恢復(fù)路面交通的同時，長時間堆積在路側(cè)的摻雜著融雪劑的積雪，由于氯離子的不斷擴散滲入，產(chǎn)生積累效應(yīng)，導致路側(cè)混凝土護欄根部的提前破壞。防腐涂層因其對氯離子的阻隔作用，可以有效提高混凝土護欄的使用性能，因而在工程防腐上廣泛使用。但在氯鹽環(huán)境下，涂層與混凝土之間的粘結(jié)力也會逐漸降低，嚴重時甚至導致涂層脫落，從而使涂層喪失保護能力。

因此涂層的工程性能和壽命在一定程度上就表征了混凝土護欄的使用壽命。正確的評價涂層在氯鹽環(huán)境下的使用性能，是全面評價混凝土護欄在氯鹽環(huán)境中的使用狀況的前提。

2 混凝土防腐涂層抗氯離子性能分析

2.1 有限元模型

以2022年冬奧會交通保障的重點工程延崇高速公路上的混凝土護欄為研究對象，該混凝土護欄也是河北省高速公路采用的典型混凝土護欄模型，如圖1所示，圖中的深色邊界為氯離子滲透面。

護欄最寬處為50.89 cm，高71.79 cm?；炷磷o欄表面保護層厚度36 mm，護欄內(nèi)鋼筋縱筋直徑16 mm，橫筋直徑8 mm，模型取長度為200 cm。對護欄采用自由四面體網(wǎng)格剖分方法處理，如圖2所示。

由于在實際工程中，護欄靠近滲透面的部分及護欄根部常為氯鹽融雪劑聚集處，為得到更加精確的計算結(jié)果，故對2部分進行了網(wǎng)格加密處理。模型共劃分域單元384 254個，平均單元質(zhì)量0.514 1，如圖3所示。

2.2 模型參數(shù)的校對

混凝土為典型的多孔結(jié)構(gòu)，選擇COMSOL中的多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞物理場模塊，模擬氯離子在混凝土內(nèi)的輸運過程。

考慮到氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸機理以及涂層在服役期間的性能變化的復(fù)雜性，為了更好地模擬涂層的性能變化過程，模型假設(shè)：

(1)大多數(shù)情況下，氯離子在混凝土內(nèi)的輸運以擴散機制為主，故本工作選取氯離子擴散為主要輸運機制。

(2)氯離子在輸運過程中性質(zhì)穩(wěn)定，不存在成分不均勻、化學反應(yīng)等情況。

離子輸運過程瞬態(tài)方程及氯離子在混凝土內(nèi)的有效擴散系數(shù)De,j的方程用COMSOL內(nèi)置方程進行描述。

氯離子在混凝土內(nèi)的有效擴散系數(shù)De,j為：

(1)

DF,i為流體擴散系數(shù)，即氯離子在混凝土內(nèi)的擴散系數(shù)，m2/s；τF,j為Bruggeman模型對孔隙率εp修正值，具體計算：

τF,j=εp-1/2

(2)

De,j中的重要參數(shù)流體擴散系數(shù)DF,i，本工作選用多因素法[10]模型進行確定：

DF,i=D28·F1(t)·F2(T)

(3)

D28為混凝土齡期為28 d時的氯離子擴散系數(shù)，m2/s，根據(jù)Life - 365程序，D28與混凝土的水灰比(W/C)有關(guān)：

D28=10(-12.06+2.4W/C)

(4)

根據(jù)Martin - Perez等[11]的論述：

F1(t)=(tref/t)m

(5)

t為混凝土齡期，d；tref為參考時間，d；m為衰減系數(shù)，根據(jù)Mangat等[12]的論述，m與水灰比有關(guān)：

m=3×(0.55-W/C)

(6)

根據(jù)阿倫尼斯定律，Martin - Perez等[11]和Kong等[13]的建議:

(7)

E為氯離子擴散過程中的活化能，kJ/mol。根據(jù)Xi等[14]的論述，當水灰比為0.4，0.5，0.6時，E取41.8，44.6，32.0 kJ/mol；R為通用氣體常數(shù)，J/(K·mol)；Tref為確定D28時的參考溫度，K；T是實際溫度，K。

有涂層護欄的多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞中的邊界條件有3種不同的類型，濃度邊界條件適用于圖1中的深色邊界，其表達式為:

ci=c0,i

(8)

除深色邊界外，圖1中其他所有邊界均為絕緣邊界。

采用變邊界模型中的對數(shù)時變模型[15]描述鋼筋混凝土表面氯離子濃度參數(shù)c0,i的變化情況：

c0,i=c0+α·lnt

(9)

c0為標準時間(1 a或28 d)的表面氯化物濃度，mol/m3；α為恒定值0.306 1；t為混凝土齡期，d。

大多數(shù)情況下，混凝土護欄在涂刷了一定厚度的涂層后，能夠明顯減緩氯鹽的滲透率，因此在本模型中選擇了薄擴散阻隔邊界條件來描述涂層的邊界狀態(tài)。

本研究中采用的混凝土護欄的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：水灰比W/C=0.4，參考時間tref=28 d，衰減系數(shù)m=0.45，活化能E=41.8 kJ/mol，通用氣體常數(shù)R=8.314 J/(K·mol)，參考溫度Tref=296 K，實際溫度T=293.15 K，混凝土孔隙率εp=4%，28 d的表面氯化物濃度c0=1.358 mol/m3，恒定值α=0.306 1。

2.3 不同涂層的氯離子擴散情況對比

將沒有刷涂涂層的鋼筋混凝土作為模型1，并選擇目前市場上常見混凝土的4種不同涂層類型，根據(jù)表1中的模型2，取氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)，對比分析了不同類別涂層對氯離子的阻擋作用。本工作選擇了涂層的擴散系數(shù)表征不同涂層的防腐性能。根據(jù)鐘世云等[16]的研究成果，4種涂層擴散系數(shù)為1.2×10-16，2.8×10-14，4.3×10-15，1.4×10-15m2/s。目前防腐工程中很少采用單層漆膜，大多采用多層涂刷，其防護性能明顯優(yōu)于單層。但具體的經(jīng)濟厚度往往只能憑借經(jīng)驗確定。本研究在參考了大量的工程數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)防腐工程的涂層厚度都在0～2 mm之間。因此本研究建立了0～2 mm厚度的涂層抗氯離子性能分析模型。如表1中的模型3所示。

表1 模型變化參數(shù)

模擬過程采用的瞬態(tài)計算，時間從混凝土養(yǎng)護成形的30～180 d，2 d為1個時間步長，圖4～圖11分別為涂刷氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)混凝土護欄在30 d和180 d的氯離子分布情況。圖4～圖11從宏觀上顯示出涂刷4類涂層后的混凝土護欄內(nèi)的氯離子分布的差別。可以看出在第30,180 d時，涂刷4類涂層的混凝土護欄內(nèi)的氯離子濃度梯度幾乎相同，且在混凝土護欄的根部均出現(xiàn)了不同程度的氯離子聚集現(xiàn)象。將涂刷4類涂層的混凝土護欄第30 d的氯離子分布情況進行比較可以看出，初始時刻的混凝土表面的氯離子濃度相差不大。但將涂刷4類涂層的混凝土護欄第180 d的氯離子分布情況進行比較可以明顯看出，涂有擴散系數(shù)最大的CPE涂層的混凝土護欄內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的氯離子滲透現(xiàn)象，且涂有4類涂層的混凝土護欄在護欄表面的氯離子濃度也已經(jīng)有了明顯的區(qū)別。從圖上來看，涂層的擴散系數(shù)越小，涂有該涂層的護欄表面的氯離子濃度越小。

圖4～圖11直觀地展示了護欄內(nèi)部整體的氯離子濃度的分布情況，由于是整體展示，對于局部的濃度變化情況的細節(jié)展示有困難，而且展示出的天數(shù)有限，因此采用曲線圖對濃度變化的細節(jié)進行展示。如圖12～圖15所示。

圖12～圖15表示涂刷擴散系數(shù)為2.8×10-14，4.3×10-15，1.4×10-15，1.2×10-16m2/s的混凝土涂層的護欄內(nèi)部同一條線在第30，62，94，126，158 d的氯離子濃度變化情況。將圖中涂刷擴散系數(shù)的涂層的混凝土護欄在同一天氯離子濃度進行對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著涂層擴散系數(shù)的降低，護欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減少；而且相互之間的氯離子濃度差距很大，幾乎成數(shù)量級向下遞減，說明涂層的擴散系數(shù)對涂層的防護能力影響很大。

將涂刷有上述4種涂層的護欄內(nèi)的氯離子濃度與表2中的模型1的計算結(jié)果，即圖16所示的無涂層的護欄內(nèi)的氯離子濃度進行對比，結(jié)果如表2所示。由表2發(fā)現(xiàn)氯離子濃度至少減少28%，75%，90%，98%，可以看出擴散系數(shù)為1.2×10-16m2/s的氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)涂層效果更好。

2.4 混凝土涂層厚度對護欄內(nèi)氯離子濃度的影響

影響涂層防腐性能的另一個主要因素就是涂層的厚度，這個問題也是工程施工中重點考慮的問題。

圖17表示涂刷涂層厚度為0～2 mm之間的混凝土涂層的護欄內(nèi)部一點在62，94，126 d的氯離子濃度變化情況。將圖中涂刷不同厚度的涂層的混凝土護欄在同一天氯離子濃度進行對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著涂層厚度的增加，護欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減小。這是由于涂層厚度的增加，導致氯離子在涂層滲透的時間更長，因而進入護欄內(nèi)的氯離子濃度更小。

進一步觀察圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著氯丁乳液涂層(CR)厚度的增加，氯離子濃度減少的趨勢逐漸變緩。圖中的星號點為涂層的“最優(yōu)點”，可以看出在氯丁乳液涂層(CR)厚度為0.738 9 mm以后，曲線已接近水平，說明此點后涂層厚度的增加對護欄內(nèi)氯離子濃度的影響并不明顯。結(jié)合圖17中曲線，可以看出最佳氯丁乳液涂層(CR)厚度在0.305 8～0.738 9 mm之間。在實際工程中，混凝土防腐涂層單層涂刷的常見厚度在70 μm左右，結(jié)合圖中曲線，最佳涂刷遍數(shù)在5～10遍。在延崇高速公路混凝土護欄上涂刷厚度為0.5 mm，涂刷遍數(shù)為6～7遍，經(jīng)過3個冬季的使用，在積雪融化后，混凝土護欄根部未出現(xiàn)剝落、起皮等病害問題，涂層與混凝土的結(jié)合性能保持完好。這也證明了仿真結(jié)果的可靠性。

3 結(jié) 論

借助COMSOL有限元軟件模擬了混凝土防腐涂層在融雪劑(氯鹽)環(huán)境下，對氯離子擴散的阻擋過程，對比分析了氯丁乳液涂層(CR)涂層在不同厚度下的抗氯性能。主要結(jié)論如下：

(1)混凝土防腐涂層大幅度降低了融雪劑中的氯離子對護欄內(nèi)的侵蝕作用，對混凝土耐久性的提高起到了促進作用。

(2)氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)4種涂層的抗氯性能對比，從擴散系數(shù)單因素考察，氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)效果最好。

(3) 涂層厚度的改變顯著影響混凝土護欄內(nèi)的氯離子濃度的分布。隨著厚度的增加，護欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減小。但增加到一定厚度后，在一定服役時間內(nèi)，厚度的增加對抗氯性能的提高作用就不再顯著，存在經(jīng)濟厚度。