氯離子在帶接縫混凝土內(nèi)的傳輸規(guī)律研究

延永東，司有棟，陸春華，高生宇，劉雪揚(yáng)

(1. 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2. 上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 201941)

0 引 言

橋梁工程的混凝土在施工中常采用分段澆筑[1]或預(yù)制拼接[2]等方式，造成其先澆段和后澆段之間產(chǎn)生混凝土接縫[3-4]。由于接縫部位細(xì)觀結(jié)構(gòu)與混凝土基體不同[5]，因此可能會(huì)對(duì)其力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生影響。

對(duì)氯鹽環(huán)境中服役的混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，抗氯離子侵蝕性能對(duì)其耐久性壽命有重要影響[6]。已有研究表明接縫是沿海等惡劣環(huán)境下服役的混凝土結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。于東超[7]對(duì)中國(guó)冀北地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁梁體病害的調(diào)研表明，橋梁預(yù)制節(jié)段梁體接縫為混凝土橋梁最早出現(xiàn)病害的部位，也是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生病害最嚴(yán)重的部位。Barman等[8]指出，接縫性能越高，混凝土的壽命也越長(zhǎng)，且接縫性能主要與混凝土強(qiáng)度及表面光滑度有關(guān)。羅小雅[9]研究了接縫處的粗糙程度對(duì)界面區(qū)氯離子傳輸特性的影響，發(fā)現(xiàn)接縫部位鑿毛深度過(guò)大時(shí)會(huì)使界面處骨料松動(dòng)，從而降低帶接縫混凝土的抗氯鹽侵蝕性能。李國(guó)平等[10-11]對(duì)分段成型的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中常用的直接濕接縫、鑿毛濕接縫、干接縫和環(huán)氧膠接縫進(jìn)行了氯離子侵蝕、碳化、凍融及接縫部位鋼筋銹蝕等耐久性試驗(yàn)，結(jié)果表明：不同類(lèi)型接縫的耐久性能雖有差別，但都是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱部位，接縫處的水泥砂漿基體或施工損傷等因素是其耐久性能下降的主要因素。

目前，中國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]尚未對(duì)接縫部位的耐久性給出特殊的預(yù)防措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者盡管對(duì)帶接縫混凝土的耐久性進(jìn)行了一些研究，但考慮的材料類(lèi)型較傳統(tǒng)，也缺少系統(tǒng)的定量比較。為得出實(shí)際施工過(guò)程中現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)接縫類(lèi)型和原材料對(duì)氯離子在混凝土內(nèi)傳輸規(guī)律的影響，本文研究了目前中國(guó)比較常見(jiàn)的接縫類(lèi)型(鑿毛接縫、直接濕接縫、界面劑接縫)下的混凝土構(gòu)件抗氯離子侵蝕性能，以期為帶接縫混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考依據(jù)。同時(shí)為盡量減少混凝土內(nèi)的水泥用量，考慮用石灰石和機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中的附加品石灰石粉來(lái)替代部分水泥，以減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，也為實(shí)現(xiàn)中國(guó)的碳達(dá)峰等目標(biāo)提供新的思路。

1 試件設(shè)計(jì)與制作

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.7的天然河砂；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；減水劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑；拌合水采用鎮(zhèn)江市自來(lái)水。試驗(yàn)同時(shí)考慮石灰石粉替代水泥的影響，在混凝土內(nèi)摻入一定量的石灰石粉，石灰石粉由拓億新材料(廣州)有限公司制作，其中碳酸鈣含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))α≥99%，細(xì)度為800目。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用水膠比為0.4的混凝土，其配合比如表1所示[13]，其中，C代表基準(zhǔn)混凝土，LS1、LS2和LS3分別代表石灰石粉取代10%、20%、30%質(zhì)量水泥的混凝土。按照規(guī)范進(jìn)行澆筑和養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)測(cè)得的各配合比下混凝土7、28 d立方體抗壓強(qiáng)度如表1所示。可以看出，除摻有10%石灰石粉的混凝土強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土稍有提高外，其他配合比混凝土的強(qiáng)度均有所減小，且摻量越大，強(qiáng)度損失也越大。由此說(shuō)明當(dāng)石灰石粉摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

表1 混凝土配合比及立方體抗壓強(qiáng)度Table 1 Mix proportion and cubic compressive strength of concrete

1.3 帶接縫混凝土試件制備及養(yǎng)護(hù)

帶接縫混凝土試件的制備方法為：首先按照基準(zhǔn)混凝土配合比，將預(yù)制部分澆筑完成；之后對(duì)預(yù)制部分的接縫面(澆筑側(cè)面)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)鑿毛接縫、直接濕接縫以及界面劑接縫3種接縫形式，如圖1所示；最后，將預(yù)制部分放入300 mm×150 mm×150 mm模具一側(cè)，在另一側(cè)澆筑摻石灰石粉混凝 土，如圖2所示。24 h后拆模，將澆筑完成的混凝土試件放進(jìn)水池中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

本研究共澆筑5組混凝土試件，試件編號(hào)分別為C-LS1-Z、C-LS2-Z、C-LS3-Z、C-LS1-D、C-LS1-J，其中，C-LS代表接縫兩側(cè)混凝土類(lèi)型，Z、D、J分別代表鑿毛接縫、直接濕接縫和界面劑接縫。

1.4 氯離子侵蝕試驗(yàn)及檢測(cè)

帶接縫混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d后取出，除留其中一個(gè)150 mm×300 mm澆筑側(cè)面為試件侵蝕面外，其余表面均使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封閉處理；然后將試件放入10%濃度的NaCl溶液中進(jìn)行浸泡。達(dá)到侵蝕齡期(270 d)后，將試件取出自然風(fēng)干2 d后進(jìn)行取樣檢測(cè)，具體方法為：①根據(jù)圖3所示位置在不同橫截面上取樣(接縫處及距接縫不同位置)，每一橫截面取3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣時(shí)沿試件侵蝕面向里用直徑為6 mm的鉆頭垂直鉆孔取粉，每5 mm取一次，每個(gè)孔共鉆取10次，將同一截面相同深度的粉樣進(jìn)行混合并裝入自封袋；②取樣結(jié)束后，用篩子選出粒徑小于0.63 mm的粉樣，將其置于100 ℃烘箱中烘干，然后每組取1.5 g粉樣其溶于10 mL蒸餾水中并充分振動(dòng)，靜置24 h，使自由氯離子充分溶解；③使用浸潤(rùn)的RCT電極測(cè)試各樣品的溶液電位，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定結(jié)果換算為自由氯離子濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型接縫下混凝土氯離子傳輸規(guī)律分析

2.1.1 氯離子濃度橫向分布特征

檢測(cè)得到的帶接縫混凝土試件中的氯離子濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橫向分布如圖4所示?？梢钥闯觯孩賹?duì)每一試件，同一深度接縫處的氯離子濃度均高于其他部位，由此說(shuō)明接縫是混凝土抵抗氯離子侵蝕的最薄弱位置，對(duì)氯鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有不利影響；②同一深度處的氯離子濃度在距接縫0～20 mm范圍內(nèi)，隨距接縫距離的增加快速減??；距接縫20～50 mm范圍內(nèi)稍有減?。痪嘟涌p50 mm之外則基本保持一致，氯離子濃度在距接縫50 mm范圍內(nèi)近似呈倒V字形分布。這說(shuō)明受接縫處高濃度影響，氯離子不僅會(huì)沿深度方向擴(kuò)散，同時(shí)還會(huì)向接縫兩側(cè)的混凝土內(nèi)傳輸。

為進(jìn)一步分析接縫類(lèi)型和石灰石粉摻量對(duì)氯離子橫向分布特征的影響，將各試件不同深度處的氯離子濃度取平均值，得到距接縫不同位置處的平均氯離子濃度,如圖5、6所示?？梢钥闯觯孩倬嘟涌p距離相同時(shí)，摻石灰石粉混凝土一側(cè)的氯離子濃度均大于基準(zhǔn)混凝土一側(cè)，這說(shuō)明摻入石灰石粉降低了混凝土的抗氯離子侵蝕能力；②當(dāng)石灰石粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為30%時(shí)，摻石灰石粉混凝土一側(cè)的氯離子濃度明顯高于摻量為10%和20%時(shí)的氯離子濃度，說(shuō)明石灰石粉摻量過(guò)大時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響較大，這與王德輝等[14]的研究結(jié)果一致；③在接縫位置處，各試件的平均氯離子濃度由大到小依次為直接濕接縫試件(C-LS1-D)、鑿毛接縫試件(C-LS1-Z)、界面劑接縫試件(C-LS1-J)，其比值為1∶0.931∶0.897；在摻有石灰石粉一側(cè)也呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律，說(shuō)明相比鑿毛接縫和界面劑處理接縫，直接濕接縫處滲入的氯離子最多，其抗氯離子侵蝕能力最弱。

2.1.2 接縫處氯離子濃度分布

不同石灰石粉摻量、接縫類(lèi)型對(duì)接縫處氯離子濃度分布的影響如圖7、8所示?？梢钥闯觯诰嗷炷帘砻?～10 mm內(nèi)，石灰石粉摻量為30%時(shí)接縫處混凝土的氯離子濃度大于石灰石粉摻量為10%與20%時(shí)的值，直接濕接縫處的氯離子濃度也明顯高于鑿毛接縫和界面劑接縫處的值。當(dāng)深度大于20 mm時(shí)，距表面距離較遠(yuǎn)處混凝土內(nèi)的氯離子濃度較小，導(dǎo)致不同石灰石粉摻量及不同接縫處理方式下的混凝土氯離子濃度差別不大。

2.2 表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)分析

氯鹽浸泡環(huán)境下混凝土中氯離子主要是以濃度梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散方式傳輸，可利用Fick第二定律描述其擴(kuò)散過(guò)程。本文試驗(yàn)條件下，氯離子在混凝土內(nèi)總體為一維侵蝕。另外，氯離子在混凝土內(nèi)以自由氯離子和結(jié)合氯離子的形式并存，其擴(kuò)散方程為[15]

(1)

式中：D為混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Ct為距混凝土侵蝕表面x處的總氯離子濃度，Ct=Cf+Cb，Cf為距混凝土侵蝕表面x處的自由氯離子濃度，Cb為距混凝土侵蝕表面x處的結(jié)合氯離子濃度；t為擴(kuò)散時(shí)間。

用R表示氯離子與混凝土的結(jié)合能力[15]，R=Cf/Ct。本文分別用萃取液和蒸餾水溶解混凝土粉樣，測(cè)試了幾組同一位置的氯離子濃度，得出總氯離子濃度和自由氯離子濃度后計(jì)算得到R=0.85。

在本文試驗(yàn)條件下，方程式(1)的初始條件為C(x>0,t=0)=C0，邊界條件為C(x=0,t>0)=Cs，則可得式(1)的簡(jiǎn)化解析解為

(2)

根據(jù)式(2)，對(duì)浸泡270 d后的帶接縫混凝土各截面的自由氯離子濃度進(jìn)行擬合，可得到混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)Da。圖9和圖10分別為不同石灰石粉摻量和不同接縫類(lèi)型的帶接縫混凝土沿縱向的氯離子擴(kuò)散系數(shù)?？梢钥闯觯孩俳涌p處的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯大于其他位置處的值，在距接縫0～50 mm范圍內(nèi)，混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)基本隨距接縫距離增大而減?。虎诮涌p處直接濕接縫(C-LS1-D)、鑿毛接縫(C-LS1-Z)與界面劑接縫(C-LS1-J)三者的擴(kuò)散系數(shù)分別為6.35×10-12、6.11×10-12、5.98×10-12m2·s-1，分別為基體混凝土的1.95倍、1.87倍、1.83倍(基體混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)取值為距接縫90 mm處3種接縫類(lèi)型擴(kuò)散系數(shù)的均值)，說(shuō)明直接濕接縫處混凝土抗氯離子侵蝕性能最弱；③摻石灰石粉一側(cè)混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯大于普通混凝土，石灰石粉摻量分別為10%、20%、30%時(shí)，混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別比不摻石灰石粉的混凝土增大9.8%、11.8%、65.8%，可見(jiàn)石灰石粉摻量為30%時(shí)混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大最多。

3 數(shù)值模擬與分析

與完整混凝土相比，帶接縫混凝土的氯離子傳輸機(jī)理比較復(fù)雜，導(dǎo)致接縫及其附近的氯離子濃度分布較難用理論公式計(jì)算，為此有必要采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

3.1 帶接縫構(gòu)件二維模型

為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用二維實(shí)體帶接縫模型，其尺寸為150 mm×300 mm，中間有一條接縫，已有研究表明[16]，當(dāng)混凝土的集料體積分?jǐn)?shù)在40%～70%之間變化時(shí)，模型砂漿中漿體厚度在0.02～2 mm到0.006～0.5 mm之間變化。因此，結(jié)合本文試驗(yàn)，模型的接縫區(qū)兩側(cè)厚度各取1 mm。

模型接縫兩側(cè)材料選用混凝土，接縫處選用水泥砂漿；物理場(chǎng)選取稀物質(zhì)傳遞，其方程與Fick第二定律一致。除留300 mm厚的上表面為氯離子濃度邊界外，其余表面均為無(wú)通量邊界。實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)部氯離子初始濃度為0.01%。單元采用自由三角形，共計(jì)1 444個(gè)單元，其中距接縫較近處單元尺寸較小，最小為0.09 mm，距接縫較遠(yuǎn)處單元尺寸較大，最大為20.2 mm，單元?jiǎng)澐秩鐖D11所示。分析步長(zhǎng)為10 d，求解總時(shí)長(zhǎng)為270 d。

3.2 數(shù)值模擬參數(shù)

3.2.1 表面氯離子濃度

模型暴露表面需定義表面氯離子濃度，根據(jù)試驗(yàn)得到的距接縫不同距離處的氯離子濃度隨深度分布，利用式(2)進(jìn)行擬合，可得到距接縫不同位置處的表面氯離子濃度。如在C-LS1-D中，距接縫距離s在-20、0、20 mm三個(gè)位置處的取值分別為0.477%、0.651%和0.423%(取值不同是因?yàn)椴牧喜灰恢?。

3.2.2 表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)

模型的三個(gè)區(qū)域(接縫區(qū)、接縫區(qū)左側(cè)、接縫區(qū)右側(cè))材料不同，因此需確定不同的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)?？紤]到接縫區(qū)主要為水泥砂漿[9]，與傳統(tǒng)的骨料-砂漿界面過(guò)渡區(qū)比較相似，因此參考骨料-砂漿界面過(guò)渡區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的取值(在1.3×10-12～145.8×10-12m2·s-1之間)[17]，本模型中接縫區(qū)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)取45×10-12m2·s-1；接縫區(qū)左側(cè)及右側(cè)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)取值如下：通過(guò)RCM試驗(yàn)[18]得到對(duì)應(yīng)配合比混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)(圖12)，然后采用式(3)[19-20]計(jì)算不同齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

(3)

式中：D(t0)為t0時(shí)刻氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)；t0為參考時(shí)間，一般取28 d；n為時(shí)間衰減系數(shù)，本文取0.75。

3.3 模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的帶接縫混凝土試件數(shù)值模型的可靠性，選取部分試件的氯離子濃度分布進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)及模擬得到的距接縫-20、0、20 mm三個(gè)位置處的氯離子濃度分布如圖13所示?？梢钥闯?，各位置處不同深度的氯離子濃度試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，說(shuō)明模擬計(jì)算時(shí)，需考慮接縫的特殊性，在接縫處需采用不同的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，由此可以得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)帶接縫混凝土內(nèi)同一深度的氯離子濃度均呈倒V字形分布，即接縫處氯離子濃度最大，然后在距接縫一定影響范圍內(nèi)向接縫兩側(cè)逐漸減小。侵蝕時(shí)間為270 d時(shí)，同一深度處的氯離子濃度在距接縫0～20 mm范圍內(nèi)，隨距接縫距離的增加快速減?。痪嘟涌p20～50 mm范圍內(nèi)稍有減?。痪嘟涌p50 mm之外則基本保持不變。

(2)三種接縫處的氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)由大到小依次為：直濕接縫、鑿毛濕接縫、界面劑接縫。說(shuō)明在接縫處采取一定的措施有助于提高其抗氯離子侵蝕性能。

(3)同一接縫處理后，石灰石粉摻量越大，接縫處氯離子濃度越大；石灰石粉的摻入增大了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)石灰石粉摻量為20%以下時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)稍有增加，但當(dāng)石灰石粉摻量為30%時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)急劇增大。

(4)考慮接縫處的特殊性，數(shù)值模擬時(shí)在接縫處采用不同的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)可以得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。