新老混凝土界面區(qū)氯離子傳輸特征與模型

李富民 武曉輝 陳志祥

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221116)

與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)技術(shù)和環(huán)境影響方面具有顯著優(yōu)勢(shì),因而已在世界各國(guó)廣泛應(yīng)用數(shù)十年.近年來(lái),在低碳可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略推動(dòng)下,我國(guó)也大量推廣裝配式混凝土結(jié)構(gòu),其在未來(lái)的應(yīng)用必將進(jìn)一步擴(kuò)大.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式有干連接和濕連接兩大類(lèi),其中后者占據(jù)主導(dǎo)地位.濕連接方式的基本模式是在相鄰預(yù)制混凝土構(gòu)件接頭處現(xiàn)澆混凝土形成連接節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)必然存在著若干新老混凝土界面.新老混凝土界面一般需要形成粗糙面以增強(qiáng)界面性能,粗糙面的形成方式一般有2種:① 通過(guò)機(jī)械手段鑿毛形成全面粗糙面;② 直接澆筑出若干鍵槽形成分布式粗糙面,這種粗糙面從每一處局部來(lái)看仍是平整面.

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中,新老混凝土界面及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)受影響的混凝土(稱(chēng)作界面區(qū))是天然的薄弱部位.這是因?yàn)?澆筑混凝土表面以內(nèi)約0.1 mm范圍為凈漿層,漿體孔隙率較大,骨料含量為0;0.1～5 mm范圍為水泥砂漿層到混凝土層的過(guò)渡區(qū),水泥砂漿孔隙率逐漸減小,粗骨料含量逐漸增大;5 mm向內(nèi)為本體混凝土層,水泥砂漿孔隙率和粗骨料含量趨于穩(wěn)定[1].因此,在新老混凝土界面區(qū),粗骨料的分布顯著減少[2],同時(shí)水泥砂漿的孔隙率顯著增大[3].

界面區(qū)的薄弱首先體現(xiàn)在物理性能上,文獻(xiàn)[4]研究表明,新老混凝土界面的滲透性大于新、老混凝土本體的滲透性,且滲透系數(shù)一般相差一個(gè)數(shù)量級(jí)的水平.在力學(xué)性能方面,大量研究表明,新老混凝土界面的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度相對(duì)于本體混凝土均顯著降低[5].在耐久性方面,文獻(xiàn)[6]表明,新老混凝土界面區(qū)的碳化速度明顯大于本體混凝土;文獻(xiàn)[7]表明,整孔預(yù)制裝配橋濕接縫未鑿毛界面區(qū)在無(wú)應(yīng)力條件下氯離子傳輸能力明顯強(qiáng)于本體區(qū)域,恒定壓應(yīng)力和疲勞壓應(yīng)力會(huì)顯著影響這種差距的水平.

上述研究尚沒(méi)有涉及到界面鑿毛對(duì)界面區(qū)氯離子傳輸性能的影響,然而根據(jù)文獻(xiàn)[5-6],界面鑿毛會(huì)對(duì)界面區(qū)粗骨料以及水泥砂漿孔隙的分布產(chǎn)生顯著影響.這必將進(jìn)一步對(duì)界面區(qū)氯離子的傳輸性能產(chǎn)生顯著影響,因此有必要對(duì)鑿毛界面區(qū)氯離子的傳輸特性以及傳輸模型進(jìn)行深入研究,從而為氯鹽環(huán)境下裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估與設(shè)計(jì)提供科學(xué)基礎(chǔ).為此,本文首先通過(guò)試驗(yàn)獲取不同水灰比搭配、不同界面鑿毛深度新老混凝土接合體試件在90 d氯鹽溶液干濕循環(huán)侵蝕后的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,然后據(jù)此分析界面區(qū)氯離子傳輸特征;進(jìn)一步基于相關(guān)文獻(xiàn)中本體混凝土氯離子傳輸系列模型,結(jié)合本文部分試驗(yàn)結(jié)果擬合及界面區(qū)細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析,分別建立界面區(qū)混凝土氯離子傳輸系列模型,并采用本文及相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)傳輸模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證.

1 界面區(qū)氯離子傳輸特征

1.1 試驗(yàn)方案

1.1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

每個(gè)試件均由一個(gè)先澆筑的老混凝土塊和一個(gè)后澆筑的新混凝土塊接合而成,二者的輪廓尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm.其中,在新老混凝土界面所在的老混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理,鑿毛深度設(shè)定為0(即未鑿毛)、2、4、6、8、10 mm.試件設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 新老混凝土接合試件設(shè)計(jì)(單位: mm)

老混凝土塊的強(qiáng)度等級(jí)按C30設(shè)計(jì),水灰質(zhì)量比為0.6.新混凝土塊的強(qiáng)度等級(jí)分別按C30、C40和C50設(shè)計(jì),水灰質(zhì)量比分別為0.6、0.5和0.4.具體配合比如表1所示.

表1 試件混凝土配合比

水泥為中國(guó)聯(lián)合水泥公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;水為普通自來(lái)水;砂子采用天然河砂,表觀密度為2 662 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.8;石子類(lèi)型為碎石,表觀密度為2 850 kg/m3,公稱(chēng)粒徑為5～16 mm,連續(xù)級(jí)配,顆粒級(jí)配如表2所示.

表2 試件混凝土粗骨料顆粒級(jí)配

試件制作過(guò)程為:首先澆筑100 mm×100 mm×100 mm的老混凝土塊,澆筑完24 h后脫模,并將脫模后的老混凝土塊置于溫度為(20±5)℃、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)14 d,然后選擇一個(gè)側(cè)表面按照目標(biāo)鑿毛深度進(jìn)行人工鑿毛,期間用位移計(jì)對(duì)鑿坑深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[8];之后,將老混凝土塊的鑿毛表面作為一個(gè)側(cè)面模板澆筑后再澆新混凝土塊,24 h后脫模,從而形成一個(gè)尺寸為200 mm×100 mm×100 mm的新老混凝土接合試件,然后將其置于溫度為(20±5) ℃、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d.

1.1.2 氯鹽侵蝕與氯離子濃度測(cè)試

接合體試件養(yǎng)護(hù)完成后,采用NaCl溶液干濕循環(huán)方式進(jìn)行氯鹽侵蝕.侵蝕前,將試件放進(jìn)60～70 ℃的烘箱中至少烘干5 d,并通過(guò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)以確保充分烘干孔隙中的水分.為了構(gòu)建單面侵蝕效果,在每個(gè)試件待侵蝕面四周用玻璃膠圍出一個(gè)圍堰來(lái)盛裝NaCl溶液,其余所有面均保持干燥并涂蠟密封,如圖2所示.

圖2 試件侵蝕

為了加快氯離子侵蝕速度,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaCl溶液和時(shí)長(zhǎng)比為5∶1的干濕循環(huán)制度,循環(huán)周期48 h,其中濕時(shí)長(zhǎng)8 h,干時(shí)長(zhǎng)40 h.具體操作是:首先將配制好的NaCl溶液倒?jié)M侵蝕圍堰保持8 h,然后用海綿吸干圍堰中的溶液,并在室內(nèi)自然環(huán)境下干燥40 h,此為一個(gè)侵蝕周期.本試驗(yàn)所有試件共進(jìn)行45個(gè)周期的干濕循環(huán)侵蝕,總時(shí)長(zhǎng)為90 d.試件編號(hào)與試驗(yàn)條件組合如表3所示.每個(gè)試件編號(hào)均包含3個(gè)相同的試件.

表3 試件編號(hào)與試驗(yàn)條件組合

完成侵蝕后,首先將每一個(gè)侵蝕試件垂直于接縫面進(jìn)行三等分剖切(見(jiàn)圖3),然后采用直徑6 mm的鉆頭進(jìn)行鉆孔取樣,每個(gè)鉆孔的深度為20 mm,鉆孔點(diǎn)布置如圖3所示.圖中,x表示距侵蝕面深度;s表示距初始界面垂直距離.這樣每個(gè)試件每個(gè)位置(s,x)可以取得3個(gè)鉆孔的粉末,同一個(gè)試件編號(hào)又包含3個(gè)相同的試件,因此同一個(gè)試件編號(hào)每個(gè)位置可以取得9個(gè)鉆孔的粉末.最后將它們混合均勻后稱(chēng)取5 g粉末作為該位置處的待測(cè)樣本,并用DY-2501B型氯測(cè)試儀對(duì)樣本進(jìn)行總氯離子濃度測(cè)試.該儀器的測(cè)試范圍為 0.000 5%～2.000 0%,20 ℃時(shí)的測(cè)試精度為10%.

圖3 試件切割與鉆孔布置(單位: mm)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

界面區(qū)氯離子濃度分布云圖如圖4所示.從圖中可以看出,所有試件氯離子分布都具有如下共同特征:① 新老混凝土界面區(qū)的氯離子濃度明顯高于兩側(cè)新老混凝土本體區(qū)域的氯離子濃度,而且越靠近界面,氯離子濃度越高,呈現(xiàn)出典型的“界面區(qū)效應(yīng)”;② 在距界面任一距離處,隨著侵蝕深度的增加,氯離子濃度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);③ 水灰比較小的新混凝土本體內(nèi)氯離子濃度水平總體小于水灰比較大的老混凝土本體內(nèi)氯離子濃度水平.

圖4 新老混凝土接合體氯離子濃度分布云圖

對(duì)比非鑿毛界面不同水灰質(zhì)量比搭配(0.6-0.6、0.6-0.5、0.6-0.4)的新老混凝土試件S1-0、S2-0及S3-0發(fā)現(xiàn),新老混凝土水灰比相同的試件S1-0,其在界面區(qū)的氯離子濃度分布呈現(xiàn)良好的對(duì)稱(chēng)性,而新老混凝土水灰比不同的試件S2-0和S3-0,其在界面區(qū)的氯離子濃度分布的對(duì)稱(chēng)性遭到削弱,界面區(qū)重心偏向水灰比較高的老混凝土一側(cè),即呈現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)性,且非對(duì)稱(chēng)性程度隨新老混凝土水灰比差距的增大而增大,水灰比越小的新混凝土一側(cè)界面區(qū)寬度也越小,繼而導(dǎo)致其所在試件的總體界面區(qū)寬度及界面區(qū)氯離子濃度也越小.

對(duì)比同一水灰質(zhì)量比搭配(0.6-0.4)、不同鑿毛深度(0、2、4、6、8、10 mm)的新老混凝土試件S3-0、S3-2、S3-4、S3-6、S3-8及S3-10發(fā)現(xiàn),隨著鑿毛深度的增大,界面區(qū)向老混凝土一側(cè)的偏移也越多,界面區(qū)效應(yīng)的非對(duì)稱(chēng)性愈加顯著,同時(shí)界面區(qū)效應(yīng)水平也逐漸減弱.

氯離子分布出現(xiàn)上述界面區(qū)效應(yīng)主要是由界面區(qū)特殊細(xì)觀結(jié)構(gòu)所造成的.前已述及,界面兩側(cè)由新、老混凝土的表層構(gòu)成,而任何澆筑混凝土的表層與其本體結(jié)構(gòu)并不相同,表層漿體孔隙率由內(nèi)向外逐漸增大,而粗骨料含量由內(nèi)向外逐漸減小,這導(dǎo)致表層混凝土密實(shí)度由內(nèi)向外逐漸減小,從而導(dǎo)致氯離子傳輸能力由內(nèi)向外逐漸增大[9];將2個(gè)相對(duì)疏松的表層混凝土接合起來(lái)形成新老混凝土界面區(qū),其內(nèi)氯離子分布濃度自然會(huì)大于兩側(cè)本體混凝土內(nèi)的氯離子分布濃度.另外,與本體混凝土類(lèi)似,水灰比越大,表層密實(shí)度相對(duì)越小,從而造成不同水灰比搭配新老混凝土氯離子分布的界面區(qū)效應(yīng)出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象.新老混凝土界面區(qū)與本體混凝土裂縫區(qū)并非相同的薄弱相,前者是在一定寬度范圍內(nèi)連續(xù)變化的薄弱區(qū)域,而后者僅是裂縫本身形成的薄弱裂隙,裂縫兩側(cè)與本體混凝土并無(wú)差別.

老混凝土表面鑿毛對(duì)界面區(qū)氯離子濃度分布特征的改變,主要是由鑿毛對(duì)界面區(qū)細(xì)觀結(jié)構(gòu)改變所引起的.鑿毛會(huì)使老混凝土界面處密實(shí)度較小的部分凈漿層和準(zhǔn)砂漿層被鑿去,并由水灰比較低的新混凝土代替,由此可增加界面區(qū)的密實(shí)度并減少界面區(qū)的表層混凝土含量,從而提高界面區(qū)的氯離子侵蝕抗力,造成界面區(qū)氯離子分布濃度降低;另外,隨著鑿毛深度增加,密實(shí)度較小的老混凝土表層被鑿掉得越多,密實(shí)度較大的新混凝土在界面區(qū)的含量也越多,真正的界面也向老混凝土一側(cè)偏移越多,從而導(dǎo)致界面區(qū)效應(yīng)逐漸減弱并向老混凝土一側(cè)逐漸偏移.總體來(lái)看,鑿毛能夠明顯提升新老混凝土界面區(qū)的氯離子侵蝕抗力.

2 界面區(qū)氯離子傳輸模型

氯離子在混凝土中傳輸時(shí),混凝土介質(zhì)通常表現(xiàn)為傳輸性能迥異的三相復(fù)合材料特性,即水泥砂漿相、粗骨料相、水泥砂漿與粗骨料的界面過(guò)渡區(qū)相.混凝土氯離子傳輸系數(shù)的大小主要由水泥砂漿相的傳輸性能決定,而水泥砂漿相的傳輸性能又主要由其孔隙率決定.粗骨料相本身往往被認(rèn)為具有極大的傳輸阻力而不作為傳輸通道,其對(duì)混凝土中氯離子的傳輸影響主要體現(xiàn)為對(duì)水泥砂漿相傳輸能力產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)和曲折效應(yīng),二者都在一定程度上削弱了混凝土的總體氯離子傳輸能力;水泥砂漿與粗骨料的界面過(guò)渡區(qū)相相對(duì)疏松,因而會(huì)在一定程度上增強(qiáng)混凝土的總體氯離子傳輸能力.

混凝土受到氯離子侵蝕的方式很多,比如氯鹽溶液長(zhǎng)期浸泡式侵蝕、氯鹽水氣鹽霧式侵蝕、氯鹽溶液干濕循環(huán)式侵蝕等.不同的侵蝕方式導(dǎo)致氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸機(jī)制不盡相同,但不同之處主要體現(xiàn)在侵蝕面向內(nèi)一定深度范圍內(nèi).該范圍內(nèi)有些條件下以擴(kuò)散為主,有些條件下則以對(duì)流-吸附為主;而在該范圍以外,氯離子的傳輸機(jī)制基本上以擴(kuò)散為主.實(shí)際工程條件下,大多數(shù)混凝土受到氯離子的侵蝕方式接近于氯鹽溶液干濕循環(huán)式侵蝕,氯離子在混凝土侵蝕面表層的傳輸機(jī)制以對(duì)流-吸附為主,此條件下,對(duì)流-吸附層具有相對(duì)穩(wěn)定的厚度.

本文考慮較常見(jiàn)的氯離子干濕循環(huán)侵蝕條件,將界面區(qū)混凝土分為表層對(duì)流-吸附傳輸層和內(nèi)部擴(kuò)散傳輸層,分別建立界面區(qū)表層氯離子濃度時(shí)空模型及內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)空模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型.

2.1 界面區(qū)混凝土表層氯離子濃度時(shí)空模型

氯鹽溶液侵蝕作用下,混凝土表層(對(duì)流-吸附層)氯離子濃度不是恒定值,而是隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大;文獻(xiàn)[10-11]研究表明,對(duì)流-吸附層的厚度約為8～14 mm,本文結(jié)合試驗(yàn)情況建議此深度取13 mm.

關(guān)于本體混凝土表層氯離子濃度隨侵蝕時(shí)間變化的關(guān)系模型有多種類(lèi)型,包括線性、平方根型、冪函數(shù)型、對(duì)數(shù)型和指數(shù)型[12],其中指數(shù)型的擬合度相對(duì)最佳.本文也將以指數(shù)型模型為基準(zhǔn)建立界面區(qū)兩側(cè)本體混凝土區(qū)域的表層氯離子濃度時(shí)變模型,然后在其基礎(chǔ)上嵌入界面區(qū)影響函數(shù),形成完整表層氯離子濃度時(shí)變模型.根據(jù)文獻(xiàn)[13],表層氯離子濃度指數(shù)型時(shí)變模型函數(shù)表達(dá)式為

Cs=Cs0+Csmax(1-e-at)

(1)

式中,Cs為混凝土表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);Cs0為初始時(shí)刻混凝土表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);Csmax為穩(wěn)定后混凝土表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);a為表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù);t為侵蝕時(shí)長(zhǎng).

Csmax與混凝土孔隙率及侵蝕溶液濃度有關(guān),對(duì)于孔隙率相對(duì)穩(wěn)定的非界面區(qū)部位,本文假定在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間后,混凝土表層孔隙中充滿侵蝕NaCl水溶液,則Csmax可按下式計(jì)算:

(2)

式中,17為Cl的原子量;28為NaCl的分子量;ρw為水的密度,取1 000 kg/m3;Cc為侵蝕NaCl水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù);p為混凝土中水泥砂漿的孔隙率;φca為混凝土中粗骨料的體積分?jǐn)?shù);γc為混凝土的密度,一般可取2 400 kg/m3.

表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù)a既與Cc有關(guān),也與反映傳輸性能的指標(biāo)——水灰比r有關(guān).關(guān)于侵蝕溶液濃度的影響,根據(jù)文獻(xiàn)[12]中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的3種NaCl溶液侵蝕下的測(cè)試結(jié)果,本文對(duì)其進(jìn)行擬合,得到了侵蝕溶液濃度影響系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

(3)

式中,λac為表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù)的侵蝕溶液濃度影響系數(shù).

水灰比對(duì)表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù)的影響較為復(fù)雜,本文通過(guò)對(duì)非界面區(qū)部位表層氯離子濃度試驗(yàn)值的擬合,得到如下影響系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

λar=0.098ln(2.86r)

(4)

式中,λar為表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù)的水灰比影響系數(shù).

因此,表層氯離子濃度時(shí)變系數(shù)a的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎汕治g溶液濃度影響系數(shù)與水灰比影響系數(shù)相乘所得,即

a=λacλar

(5)

ω=1+e-0.5(s/5)2

(6)

(7)

圖5為利用界面區(qū)表層氯離子濃度分布模型式(7)計(jì)算得到的一些算例曲線.

2.2 界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)空模型

2.2.1 界面區(qū)混凝土內(nèi)部水泥砂漿中氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型

水泥砂漿介質(zhì)是混凝土中氯離子傳輸?shù)闹饕ǖ?其孔隙率直接決定著傳輸系數(shù)的大小.文獻(xiàn)[14]研究表明,水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與總孔隙率之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系.本文通過(guò)對(duì)新老混凝土本體區(qū)域(即遠(yuǎn)離界面區(qū))氯離子濃度檢測(cè)結(jié)果的反演,也發(fā)現(xiàn)二者之間具有良好的線性關(guān)系,同時(shí)通過(guò)擬合得到本體混凝土中水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其總孔隙率之間的線性關(guān)系如下:

Dm=(500p-30)×10-12

(8)

式中,Dm為水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù),m2/s.

新老混凝土界面區(qū)具有比本體區(qū)域更大的孔隙率和氯離子傳輸系數(shù),本文假定界面區(qū)水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與其總孔隙率之間也具有式(8)所示的線性關(guān)系,則只需要得到界面區(qū)水泥砂漿的總孔隙率模型,即可很方便地獲得界面區(qū)水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型.

文獻(xiàn)[3]研究建立了隨水灰比及距界面距離變化的鑿毛(含未鑿毛)新老混凝土界面區(qū)水泥砂漿孔隙率模型,如下所示:

(9)

(10)

(11)

式中,sI、sII分別為老混凝土區(qū)和新老混凝土嚙合區(qū)中各點(diǎn)距離初始界面(即老混凝土未鑿毛時(shí)的表面)的距離,mm;sIII為新混凝土區(qū)中任一點(diǎn)距離老混凝土鑿坑底部的距離,mm;h為鑿坑深度,mm,如圖6所示;rO、rN分別為老混凝土本體和新混凝土本體的水灰質(zhì)量比;pO(sI)、pN(sIII)分別為老混凝土區(qū)和新混凝土區(qū)中的水泥砂漿孔隙率;pON(sII)為新老混凝土嚙合區(qū)中距離初始界面任一深度sII所在橫截面上全部水泥砂漿的平均孔隙率.

圖6 鑿毛界面區(qū)新老混凝土嚙合示意圖

利用式(8)計(jì)算Dm時(shí),所需水泥砂漿基體孔隙率p按照不同區(qū)段可分別由式(9)～(11)計(jì)算;當(dāng)h=0時(shí),則只需按式(9)和(10)計(jì)算.

2.2.2 粗骨料對(duì)界面區(qū)混凝土內(nèi)部水泥砂漿氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

在混凝土本體區(qū)域,粗骨料對(duì)水泥砂漿氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在稀釋效應(yīng)和曲折效應(yīng)2種阻滯效應(yīng),以及所產(chǎn)生的界面過(guò)渡區(qū)引起的增強(qiáng)效應(yīng).文獻(xiàn)[15]針對(duì)混凝土本體區(qū)域建立了基于水泥砂漿擴(kuò)散系數(shù)并考慮粗骨料稀釋效應(yīng)、曲折效應(yīng)及界面過(guò)渡區(qū)效應(yīng)的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型:

(12)

式中,Dcon為標(biāo)準(zhǔn)溫度下混凝土侵蝕初期氯離子擴(kuò)散系數(shù),m2/s;φITZ為粗骨料與水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)體積分?jǐn)?shù);α為界面過(guò)渡區(qū)與水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之比.

本文假定式(12)也適用于界面區(qū)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算,則只需要得到界面區(qū)粗骨料體積分?jǐn)?shù)模型,即可很方便地獲得界面區(qū)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型.文獻(xiàn)[2]建立了如下鑿毛(含未鑿毛)界面區(qū)混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)分布模型:

(13)

(14)

(15)

利用式(12)計(jì)算Dcon時(shí),所需粗骨料體積分?jǐn)?shù)φca按照不同區(qū)段分別由式(13)～(15)計(jì)算;當(dāng)h=0時(shí),則只需按式(13)、(14)計(jì)算.

另外,文獻(xiàn)[16]通過(guò)細(xì)觀數(shù)值模擬,研究得到了界面過(guò)渡區(qū)體積分?jǐn)?shù)與粗骨料體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,如下所示:

(16)

式中,hITZ為界面過(guò)渡區(qū)厚度,其值在30～50 μm范圍內(nèi)[17-18],本文建議取50 μm;dmax為粗骨料名義最大粒徑.

關(guān)于界面過(guò)渡區(qū)與水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之比α,研究[15,19-20]表明其值在6～13.26之間,本文結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)建議取12.

2.2.3 溫度及侵蝕時(shí)間對(duì)界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

關(guān)于溫度對(duì)本體混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,結(jié)合文獻(xiàn)[21-22]可得其計(jì)算公式如下:

β=e(6 288-4.0e10.7r)(1/T0-1/T)

(17)

式中,β為溫度對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響系數(shù);T0為開(kāi)氏基準(zhǔn)溫度,取T0=298 K;T為開(kāi)氏實(shí)際溫度,K.

關(guān)于時(shí)間對(duì)本體混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,文獻(xiàn)[23]給出的計(jì)算公式如下:

(18)

式中,γ為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間影響系數(shù);tref為氯鹽侵蝕前的齡期;tu為計(jì)算時(shí)刻的齡期;n為時(shí)間依賴指數(shù),文獻(xiàn)[24]通過(guò)試驗(yàn)擬合給出其與水灰比之間的關(guān)系,即

n=0.152r-0.6

(19)

本文假定式(17)和(18)也適用于界面區(qū),其中在鑿毛界面區(qū)的新老混凝土嚙合區(qū),其水灰比可近似按線性變化考慮,即

(20)

2.2.4 界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)空總模型

將式(12)給出的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)模型乘以溫度影響系數(shù)β和時(shí)間影響系數(shù)γ,即可得到新老混凝土界面區(qū)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的總模型,即

Dcon,t=βγDcon

(21)

式中,Dcon,t為新老混凝土界面區(qū)氯離子綜合擴(kuò)散系數(shù).

圖7為25 ℃、28 d齡期氯鹽未侵蝕時(shí)幾種條件下新老混凝土界面區(qū)基本氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)空總模型算例曲線.

(a) 水灰質(zhì)量比0.6-0.6界面區(qū)

(b) 水灰質(zhì)量比0.6-0.4界面區(qū)

2.3 界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型

2.3.1 模型與算例

在對(duì)流-吸附層以下,氯離子近似按擴(kuò)散模式傳輸,因此可用Fick第二定律所提供的偏微分方程求解其濃度時(shí)空分布與演化;當(dāng)表層氯離子濃度、擴(kuò)散系數(shù)均為恒定值時(shí),上述偏微分方程具有顯式解析解,應(yīng)用非常方便.然而,如前所述,新老混凝土界面區(qū)的表層氯離子濃度和擴(kuò)散系數(shù)都不是恒定值,而是隨時(shí)間和距界面距離變化的二元函數(shù),因此無(wú)法獲得該條件下的顯式解析解.因此,為了便于應(yīng)用,本文仍然借用基本條件下Fick第二定律顯式解析解模式作為實(shí)用模型框架,并考慮文獻(xiàn)[25]關(guān)于表層氯離子濃度指數(shù)時(shí)變條件下的解析修正公式,然后將隨時(shí)間變化的表層氯離子濃度值用一個(gè)代表性侵蝕時(shí)長(zhǎng)的表層氯離子濃度值近似代替,則有

(22)

圖8為根據(jù)式(22)所示模型計(jì)算得到的25 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氯化鈉溶液侵蝕90 d時(shí)幾種新老混凝土界面區(qū)氯離子濃度分布曲線.

(a) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.6時(shí)未鑿毛界面區(qū)

(b) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.6時(shí)鑿毛深度6 mm界面區(qū)

(c) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)未鑿毛界面區(qū)

(d) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度6 mm界面區(qū)

2.3.2 模型驗(yàn)證

利用式(22)給出的界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型,計(jì)算本文試驗(yàn)各條件相對(duì)應(yīng)的氯離子濃度分布曲線,并與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖 9所示.從圖中可以看出,模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果總體吻合度較好.

(a) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.6時(shí)未鑿毛界面區(qū)

(b) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.5時(shí)未鑿毛界面區(qū)

(c) 水灰質(zhì)量比這0.6-0.4時(shí)未鑿毛界面區(qū)

(d) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度2 mm界面區(qū)

(e) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度4 mm界面區(qū)

(f) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度6 mm界面區(qū)

(g) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度8 mm界面區(qū)

(h) 水灰質(zhì)量比為0.6-0.4時(shí)鑿毛深度10 mm界面區(qū)

圖9 新老混凝土界面區(qū)內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型本文試驗(yàn)驗(yàn)證

式(22)中的部分參數(shù)來(lái)自于本文有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的擬合,二者吻合度雖較高,但不能充分驗(yàn)證模型的適用性,有必要采用其他文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.文獻(xiàn)[12]對(duì)水灰質(zhì)量比為0.6-0.4、設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50的未鑿毛界面區(qū)試件,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的氯化鈉溶液進(jìn)行了為期540 d的干濕循環(huán)侵蝕,并測(cè)試了試件混凝土的氯離子濃度.本文利用式(22)對(duì)該試驗(yàn)條件相對(duì)應(yīng)的氯離子濃度分布曲線進(jìn)行了計(jì)算,并與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)照,結(jié)果如圖 10所示.可以看出,模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果總體上也具有較好的吻合度,尤其界面區(qū)的吻合度相對(duì)更高,這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所建立的模型具有較好的適用性.

圖10 新老混凝土界面區(qū)內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型的文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)驗(yàn)證

3 結(jié)論

1) 當(dāng)新老混凝土接合體表面遭受氯鹽溶液侵蝕后,新老混凝土界面區(qū)的氯離子濃度明顯高于兩側(cè)新老混凝土本體區(qū)域的氯離子濃度,而且越靠近界面,氯離子濃度越高,呈現(xiàn)出典型的界面區(qū)效應(yīng);界面區(qū)的氯離子傳輸能力明顯高于兩側(cè)新老混凝土本體區(qū)域的氯離子傳輸能力,從而導(dǎo)致界面區(qū)成為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)氯鹽侵蝕耐久性的薄弱部位.

2) 對(duì)于界面未作鑿毛處理的新老混凝土,當(dāng)兩側(cè)混凝土水灰比相同時(shí),界面區(qū)氯離子濃度分布沿界面呈現(xiàn)出良好的對(duì)稱(chēng)性;而當(dāng)兩側(cè)混凝土水灰比不同時(shí),界面區(qū)氯離子濃度分布的對(duì)稱(chēng)性遭到削弱,界面區(qū)重心偏向水灰比較高的老混凝土一側(cè),且偏向程度隨新老混凝土水灰比差距的增大而增大,同時(shí),新混凝土一側(cè)的水灰比越小,該側(cè)界面區(qū)寬度也越小.

3) 對(duì)于固定水灰比搭配的新老混凝土,當(dāng)界面鑿毛深度不同時(shí),界面區(qū)效應(yīng)的非對(duì)稱(chēng)程度也不同,鑿毛深度越大,界面區(qū)向老混凝土一側(cè)的偏移也越多,界面區(qū)效應(yīng)的非對(duì)稱(chēng)性愈加顯著,同時(shí)界面區(qū)效應(yīng)水平也逐漸減弱.

4) 基于相關(guān)文獻(xiàn)中本體混凝土氯離子傳輸系列模型,結(jié)合本文有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的擬合及界面區(qū)細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析,分別建立了界面區(qū)混凝土表層氯離子濃度時(shí)空模型、界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)空模型以及界面區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子濃度時(shí)空模型.本文及其他文獻(xiàn)試驗(yàn)共同證明上述模型具有較好的適用性.