應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料氯鹽傳輸行為的細(xì)觀數(shù)值分析

鮑玖文, 孔令艷, 張心鈺, 張鵬 , 秦玲, 郭偉娜

( 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266520 )

水泥作為建筑材料中最常用的材料，被廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中，但水泥造成的CO2排放問題成為影響生態(tài)環(huán)境的重要原因[1-2]。為解決此問題，多采用粉煤灰這種綠色膠凝材料來代替水泥。此外，混凝土作為一種脆性材料，提高韌性也是延長混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的重要舉措，聚乙烯醇(PVA)纖維因良好的伸長率和粘附性可以顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性[3-4]。與傳統(tǒng)混凝土相比，應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(SHCC) 的高延性有效控制著混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展從而限制外部有害離子的侵入[5-6]。對(duì)于嚴(yán)酷的海洋服役環(huán)境，海水中大量游離的氯離子會(huì)對(duì)服役中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重腐蝕，尤其是在干濕交替區(qū)域氯鹽腐蝕最為嚴(yán)重[7-9]，因此，研究海洋干濕循環(huán)下SHCC 氯鹽傳輸規(guī)律對(duì)其耐久性評(píng)價(jià)具有重要意義。

目前，針對(duì)SHCC 氯鹽傳輸性能方面展開了研究，張鵬等[10]開展了人工模擬潮汐區(qū)SHCC 氯鹽傳輸試驗(yàn)，分析了自由氯離子含量、表面氯離子濃度及表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明：與普通混凝土C30 相比，雖然SHCC 內(nèi)峰值氯離子濃度較高，但在長期服役過程中表現(xiàn)出更加優(yōu)異的氯鹽傳輸性能。Wang 等[11]研究了PVA 纖維與粉煤灰(FA)復(fù)摻情況下混凝土氯離子傳輸性能，結(jié)果表明二者共同作用使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，對(duì)提高混凝土抗氯鹽傳輸性能具有顯著效果。Paul 等[12]通過快速氯離子遷移試驗(yàn)(RCM)，分析了SHCC 在開裂與未開裂狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化，說明SHCC 開裂狀態(tài)加速了氯離子在混凝土內(nèi)部的遷移，且裂紋形狀及附近孔隙也會(huì)對(duì)試件內(nèi)部的氯離子分布造成影響。Kobayashi等[13]對(duì)不同水灰比和纖維摻量的開裂SHCC進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下氯離子滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開裂SHCC 的氯離子滲透性能很大程度取決于其裂縫的數(shù)量和水灰比，且氯離子滲透深度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

除了試驗(yàn)研究外，細(xì)觀數(shù)值模擬也是研究纖維混凝土介質(zhì)傳輸行為的有效手段[14-15]。對(duì)于SHCC 材料的數(shù)值模擬，張鵬[16]利用MATLAB 采用蒙特卡羅法進(jìn)行纖維的二維隨機(jī)投放，并將其導(dǎo)入到ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)、基體開裂強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為工程水泥基復(fù)合材料(ECC)在有限元模擬角度進(jìn)行力學(xué)性能分析提供了理論基礎(chǔ)。Li等[17]考慮材料的非均質(zhì)性，建立了基于微觀力學(xué)的隨機(jī)模型，從而研究SHCC 拉伸行為變化，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明該模型能夠較好地模擬SHCC 拉伸行為，發(fā)現(xiàn)纖維強(qiáng)度和纖維體積分?jǐn)?shù)是導(dǎo)致SHCC 拉伸應(yīng)變能力和平均裂紋寬度發(fā)生顯著變化的重要因素。Lu 等[18]對(duì)摻有FA 和PVA 纖維的ECC 進(jìn)行了長期力學(xué)性能數(shù)值分析，考慮微觀力學(xué)參數(shù)建立了仿真模型，揭示了ECC拉伸延性劣化機(jī)制。熊陽[19]將建立的隨機(jī)散亂分布PVA 纖維幾何模型導(dǎo)入ANSYS 中，模擬了不同纖維摻量對(duì)PVA 纖維混凝土力學(xué)性能變化的影響，模擬結(jié)果雖與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，但整體變化趨勢(shì)一致。

綜上所述，目前對(duì)于纖維混凝土數(shù)值模擬多集中于力學(xué)性能分析，而對(duì)于實(shí)際海洋服役環(huán)境下，特別是干濕循環(huán)作用下SHCC 氯鹽傳輸性能研究不充分?；诖耍瑸榱酥攸c(diǎn)研究纖維隨機(jī)分布對(duì)海洋混凝土氯鹽侵蝕性能的影響，構(gòu)建由砂漿基質(zhì)、PVA 纖維及二者之間的界面過渡區(qū)(ITZ)三相復(fù)合組成的SHCC 細(xì)觀模型，并提出干濕循環(huán)作用下氯離子傳輸?shù)膶?duì)流-擴(kuò)散模型，利用細(xì)觀數(shù)值模擬手段探究氯離子在SHCC 中的傳輸規(guī)律，結(jié)合干濕循環(huán)作用下氯鹽傳輸試驗(yàn)，對(duì)比分析非飽和狀態(tài)下SHCC 氯離子傳輸規(guī)律，為海洋環(huán)境下SHCC 氯鹽侵蝕行為評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 干濕交替作用下氯離子傳輸模型

1.1 水分傳輸模型

非飽和狀態(tài)下混凝土中水分主要以氣態(tài)和液態(tài)兩種形式存在，可采用擴(kuò)展的達(dá)西定律表征水分傳輸行為，其表達(dá)式為

式中：Θ為水分飽和度；K(Θ)為非飽和狀態(tài)下水力傳導(dǎo)率，用來表征多孔介質(zhì)中水分的滲透能力；Ψ為毛細(xì)勢(shì)能；t為水分傳輸時(shí)間。

上式中的非飽和狀態(tài)下水力傳導(dǎo)率是關(guān)于飽和度Θ的分段函數(shù)，可表達(dá)式為

式中：Ks為飽和水力傳導(dǎo)率；l表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，結(jié)合Mualem 方程取0.5；m表示經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)V-G 模型來表示飽和度Θ與毛細(xì)勢(shì)能Ψ的關(guān)系：

式中：α、m和n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中m=1-1/n。干濕交替過程中干燥和濕潤兩階段分別對(duì)應(yīng)著脫附和吸附過程，因此α、m和n的取值采用文獻(xiàn)[10]所繪制的等溫吸附-脫附曲線確定，如表1 所示。結(jié)合式(1)～(3)可知：

表1 干濕過程吸-脫附曲線的參數(shù)取值Table 1 Parameters values of adsorption-desorption curves in dry and wet conditions

結(jié)合質(zhì)量守恒定律，將描述毛細(xì)水傳輸過程的動(dòng)力學(xué)模型Richard 方程可用Θ為中間變量轉(zhuǎn)變?yōu)樗值臄U(kuò)散方程，其表達(dá)式可表示為

式中，D(Θ) 為水分?jǐn)U散系數(shù)(m2·s-1)。根據(jù)式(4)可確定水分?jǐn)U散系數(shù)為

1.2 氯離子傳輸模型

在干濕循環(huán)作用下，氯離子在混凝土內(nèi)部的傳輸行為主要是由離子濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散行為與水分對(duì)流效應(yīng)的耦合作用所致?？紤]到氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水分飽和度Θ之間的關(guān)系，根據(jù)氯離子質(zhì)量守恒定律，可知混凝土中氯離子傳輸?shù)膶?duì)流-擴(kuò)散模型為

式中：C(x,t)為距混凝土表面x深度處傳輸時(shí)間t時(shí)刻的氯離子濃度；DCl為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Dw(Θ)為水分?jǐn)U散系數(shù)。

1.3 邊界條件

干濕循環(huán)條件的變化會(huì)影響混凝土濕度，進(jìn)而影響其氯離子傳輸行為。其中干燥過程由于水分的蒸發(fā)使混凝土內(nèi)部飽和度降低，水分在飽和梯度驅(qū)動(dòng)下，以較高的對(duì)流速率遷移到混凝土表層，因此在干燥過程中，氯離子傳輸主要以對(duì)流作用為主；而在濕潤過程中，外部水分侵入使混凝土內(nèi)部飽和度升高，對(duì)流作用減弱，氯離子侵入混凝土內(nèi)部主要以擴(kuò)散作用為主[20]。綜合以上分析，濕度的變化會(huì)造成水分的遷移，使氯離子在混凝土內(nèi)部不斷進(jìn)行傳輸，在此作用下混凝土中氯離子傳輸過程包括對(duì)流和氯離子擴(kuò)散兩個(gè)過程，進(jìn)行模擬時(shí)對(duì)兩個(gè)過程分別設(shè)置邊界條件。因此，假定濕潤過程混凝土處于飽和狀態(tài)，此時(shí)飽和度Θ=1.0；干燥過程時(shí)假定此時(shí)與外部環(huán)境濕度達(dá)到平衡，取Θ=0.5。即混凝土孔隙溶液飽和度邊界條件為

對(duì)于氯離子傳輸?shù)倪吔鐥l件，在濕潤過程符合第一類邊界條件，任意時(shí)刻t的表面氯離子濃度Cs保持恒定；而在干燥過程中，由于表層水分蒸發(fā)，表層氯離子會(huì)留在混凝土中，將試樣表面氯離子通量設(shè)置為0，而遠(yuǎn)離混凝土表面的氯離子會(huì)隨著水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部。綜上所述，氯離子邊界條件為

1.4 細(xì)觀模型

在細(xì)觀尺度上，將SHCC 視為由砂漿基質(zhì)、PVA 纖維及二者之間的界面過渡區(qū)(ITZ)三相復(fù)合材料[20]。二維試件尺寸取100 mm×100 mm，由于纖維在混凝土中的分布具有隨機(jī)性，為了能夠更加真實(shí)地模擬纖維在基體中的隨機(jī)分布情況，采用蒙特卡羅法，結(jié)合MATLAB 編程軟件生成二維隨機(jī)纖維幾何模型[21]。選用自由三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小按常規(guī)設(shè)置。構(gòu)建二維幾何模型前，應(yīng)根據(jù)體積分?jǐn)?shù)首先確定投放纖維數(shù)目N，可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算[14]：

式中：L和B分別為基體的長與寬，取100 mm×100 mm；lf為纖維的長度；df為纖維直徑；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)。

在二維模型構(gòu)建時(shí)，首先假定PVA 纖維為隨機(jī)均勻分布的矩形單元，纖維實(shí)際長度與直徑分別對(duì)應(yīng)矩形的長與寬；確定纖維的位置需要考慮兩大因素：一是纖維中點(diǎn)坐標(biāo)；二是纖維軸線與X軸夾角，并在確定纖維位置的同時(shí)，保證纖維之間不重合、不相交、不包含且纖維不能超出基體邊界。由于ITZ 是混凝土最易發(fā)生破壞的部位，通常設(shè)定ITZ 厚度小于0.1 mm，已有學(xué)者研究表明ITZ 厚度范圍可取5～30 μm[16,20]。因此在本文中待纖維投放完畢后，結(jié)合自身纖維尺寸特點(diǎn)，按照纖維邊界沿同一中點(diǎn)及角度向外擴(kuò)展20 μm 作為纖維與基體的ITZ 厚度。纖維的具體投放流程如圖1 所示，所生成的隨機(jī)分布纖維的SHCC 幾何模型如圖2 所示。

圖1 聚乙烯醇(PVA)纖維隨機(jī)投放流程圖Fig.1 Flow chart of randomly distributed polyvinyl alcohol(PVA) fibers

圖2 PVA 纖維隨機(jī)分布的應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(SHCC)模型Fig.2 Strain hardening cement-based composite (SHCC) model with the random distribution of PVA fibers

1.5 模型參數(shù)及邊界條件

將幾何模型的下邊緣設(shè)置為水分和氯離子的侵蝕面，并為保證氯離子的一維傳輸，將其他三面設(shè)置為無通量。假定纖維的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為0；由于ITZ 結(jié)構(gòu)比較薄弱，因此取ITZ 的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為砂漿氯離子擴(kuò)散系數(shù)的10 倍[15]。具體邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分如圖3 所示，采用常規(guī)自由三角形網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格狹隘區(qū)分辨率為0.01；最小尺寸為0.03 mm；最大單元大小為6.7 mm；最大單元增長率為1.3；曲率因子為0.2；最終生成了13 565 個(gè)三角形網(wǎng)格。

圖3 SHCC 細(xì)觀數(shù)值仿真模型Fig.3 Mesoscopic numerical simulation model of SHCC

2 試驗(yàn)分析

2.1 混凝土配合比及試件制備

為制備SHCC 試件，膠凝材料選用來自山東青島的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥和I 級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用粒徑小于0.3 mm 的石英砂；纖維采用聚乙烯醇(PVA)纖維，購買于日本Kuraray 公司，其相關(guān)性能參數(shù)見表2；所需水均來自實(shí)驗(yàn)室普通自來水。

表2 PVA 纖維的基本性質(zhì)Table 2 Properties of PVA fibers

本試驗(yàn)設(shè)置SHCC 水膠比(w/b)為0.33，膠凝材料總含量為1 200 kg·m-3，水泥和粉煤灰的化學(xué)組分如表3 所示。PVA 纖維體積分?jǐn)?shù)為2vol%，可使纖維的橋接裂縫能力充分顯現(xiàn)，有效提高砂漿基體的延性；此外，摻入適量的FA 可降低SHCC基體的斷裂韌性，提高基體延性及變形能力，SHCC 試件具體配合比見表4。澆筑尺寸邊長分別為100 mm 和150 mm 的SHCC 立方體試件。按照配合比將所需水泥、石英砂、FA 及PVA 纖維進(jìn)行稱量備用，澆筑時(shí)先將水泥、石英砂及FA 倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌約2 min，待攪拌均勻后，將減水劑與水的混合溶液倒入攪拌機(jī)內(nèi)繼續(xù)攪拌約4 min，最后加入纖維攪拌約5 min，待充分混合均勻后置于振動(dòng)臺(tái)振搗，并不停補(bǔ)充漿體直至填充整個(gè)模具中用刮刀使其表面平整，澆筑完成后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，然后將其在室溫放置24 h，待成型后拆模并立即放入溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 天，利用深圳三思縱橫科技有限公司生產(chǎn)的YAW-3000D 微機(jī)控制恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度值，其立方體抗壓強(qiáng)度平均值為40.2 MPa。

表3 膠凝材料化學(xué)成分組成Table 3 Chemical composition of cementitious materials

表4 SHCC 試件配合比Table 4 Mix proportion of SHCC specimens

2.2 氯鹽傳輸試驗(yàn)方法

為了分析SHCC 氯鹽傳輸行為，開展人工室內(nèi)模擬干濕交替下氯鹽傳輸試驗(yàn)。采用自主設(shè)計(jì)的人工模擬浪濺試驗(yàn)箱，該試驗(yàn)箱包括控制箱、試驗(yàn)箱、儲(chǔ)水箱3 部分。通過控制箱設(shè)置循環(huán)周期和干濕循環(huán)時(shí)間比(αt)；試驗(yàn)箱側(cè)壁上設(shè)置有液位傳感器和濕度傳感器，頂部安裝鼓風(fēng)設(shè)備及通氣孔，并設(shè)置噴淋水管使試樣承受鹽水沖刷；儲(chǔ)水箱用來儲(chǔ)存配制的鹽溶液，其濃度采用規(guī)范中給出的鹽溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)，取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的NaCl 溶液，最終通過保持NaCl 溶液濃度恒定、設(shè)置干濕制度及噴淋與吹風(fēng)系統(tǒng)來人工模擬海洋浪濺區(qū)環(huán)境。為保證氯離子的一維傳輸，需在進(jìn)行室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)前，將混凝土試件包括成型面在內(nèi)的4 個(gè)連續(xù)表面涂抹環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。本試驗(yàn)設(shè)置3 種干濕循環(huán)制度：(1) 以1 天為循環(huán)周期的干濕比為3.0∶1；(2) 以3 天為循環(huán)周期的干濕比為85.4∶1；(2) 以6 天為循環(huán)周期的干濕比為11.0∶1。詳細(xì)的干濕循環(huán)制度如表5 所示。試驗(yàn)過程中為保證NaCl 溶液濃度保持恒定，根據(jù)實(shí)際情況定期更換調(diào)整NaCl 溶液。

表5 氯鹽侵蝕的干濕循環(huán)制度Table 5 Cyclic drying-wetting regimes of chloride ingress

2.3 自由氯離子含量測(cè)試

待試塊達(dá)到暴露時(shí)間后，取出擦凈表面至無明顯水跡，然后將其烘干12 h。用磨粉機(jī)沿氯離子滲透面由表及里進(jìn)行磨粉取樣，距表面10 mm以內(nèi)每間隔1 mm 磨粉，距表面10～40 mm 之間每層磨進(jìn)2 mm，磨出粉末后用孔徑0.63 mm 的篩子將所磨粉末篩分后收集到包裝袋進(jìn)行密封，每一塊混凝土試件可取25 個(gè)數(shù)據(jù)。將收集的粉末烘干2 h 后取出冷卻至室溫備用。按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JTS/T 236-2019)[22]進(jìn)行測(cè)定混凝土內(nèi)自由氯離子含量分布。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與模型驗(yàn)證

3.1 自由氯離子含量分布

圖4 為3 種干濕制度下(3.0∶1、11.0∶1 和85.4∶1)不同暴露時(shí)間(30 天、90 天和180 天)的自由氯離子含量分布情況?？傮w可以發(fā)現(xiàn)，自由氯離子含量隨滲透深度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，出現(xiàn)了明顯的對(duì)流區(qū)，且隨著暴露時(shí)間的增大，對(duì)流區(qū)深度逐漸增大。這主要是由于浪濺區(qū)的干濕循環(huán)作用使距混凝土表層一定區(qū)域內(nèi)的氯離子濃度持續(xù)積累，最終會(huì)出現(xiàn)氯離子濃度峰值，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，峰值處的氯離子濃度隨暴露時(shí)間的延長不斷累積，并逐漸向內(nèi)部延伸的現(xiàn)象，出現(xiàn)“峰值內(nèi)移”現(xiàn)象[23]。此外，隨著暴露時(shí)間的延長，同一滲透深度下，氯離子含量也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖4 不同干濕循環(huán)比下SHCC 自由氯離子含量分布Fig.4 Free chloride content distribution of SHCC under different cyclic drying-wetting ratios

圖5 為不同滲透深度處SHCC 自由氯離子含量對(duì)比。在同一暴露時(shí)間和同一滲透深度下，總體上看，隨干濕比增加自由氯離子含量大致呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，受氯鹽傳輸驅(qū)動(dòng)力的控制，與干濕狀態(tài)下混凝土含水狀態(tài)密切相關(guān)。主要是由于干燥時(shí)間越長，混凝土表層孔隙干燥程度越高，使在濕潤過程中，較大的濃度差加速了氯離子向混凝土內(nèi)部的侵入，氯離子濃度增大；但是隨著干燥時(shí)間的持續(xù)增加，混凝土表面接觸氯離子溶液的時(shí)間縮短，使進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子含量降低[24]。另外，隨著暴露時(shí)間增加，其自由氯離子含量逐漸增加，但相同滲透深度處的氯離子增速降低，一方面是由于SHCC 中的PVA 纖維會(huì)和早期水化產(chǎn)物之間產(chǎn)生細(xì)小裂縫，為表層氯離子的侵入提供通道；另一方面，早期FA 未發(fā)生火山灰活性效應(yīng)，主要發(fā)揮物理填充效應(yīng)，但其填充效應(yīng)較差，使混凝土孔徑增大，進(jìn)而增大了氯離子的滲透性能，隨著水化反應(yīng)的充分發(fā)展及FA 火山灰反應(yīng)的發(fā)生，使PVA 纖維在混凝土內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，此外，纖維的摻入有效地抑制了混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展，并提高了基體的抗彎強(qiáng)度，表現(xiàn)出隨暴露時(shí)間增加，自由氯離子含量增速趨于緩慢，因此，SHCC 中纖維的摻入雖然使混凝土氯鹽侵蝕性能在短期內(nèi)未有明顯改善，但長期暴露下表現(xiàn)出良好的抗氯鹽傳輸性能[11,24-25]。

圖5 不同滲透深度處SHCC 自由氯離子含量Fig.5 Free chloride content of SHCC at different penetration depths

3.2 表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)

假定混凝土材料是各向同性、均質(zhì)的材料，且內(nèi)部孔隙水始終處于飽和狀態(tài)，則氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散過程可以用Fick 第二定律。此外，對(duì)流區(qū)深度作為混凝土表層對(duì)流-擴(kuò)散耦合傳輸和內(nèi)部擴(kuò)散傳輸?shù)呐R界點(diǎn)，是一個(gè)重要的參數(shù)，即對(duì)流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)的氯離子傳輸機(jī)制有顯著區(qū)別。故如下式所示，需在描述氯離子擴(kuò)散的Fick 第二定律解析解中需考慮對(duì)流區(qū)深度Δx影響，擬合確定表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)：

式中：Dapp為表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(mm2·s-1)；Cs為表面氯離子濃度(wt%)；C0為初始氯離子濃度(wt%)；erf(z)為誤差函數(shù)。由此可知，3 種干濕制度下SHCC 試件的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表6 所示。SHCC 的表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)明顯的時(shí)變性，以干濕循環(huán)比85.4∶1 為例，隨暴露時(shí)間延長，90 天和180 天的表面氯離子濃度分別比30 天升高了51.72%和83.45%，隨時(shí)間的延長而增大；而表觀氯離子擴(kuò)散系系數(shù)分別降低了27.71% 和48.50%，隨時(shí)間的延長而降低。原因在于隨著暴露時(shí)間的增加，混凝土水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，改善內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氯離子傳輸速率降低。另外，隨干濕循環(huán)時(shí)間比的增加，表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，以暴露時(shí)間180 天為例，SHCC 在干濕循環(huán)比為85.4∶1 時(shí)的表面氯離子濃度比干濕循環(huán)時(shí)間比為3.0∶1 增加了22.58%，比干濕循環(huán)時(shí)間比為11.0∶1 降低了0.75%；表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)為分別增加42.04%和降低4.70%，這是由于隨著干濕循環(huán)比的增加，干燥時(shí)間的水分蒸發(fā)造成混凝土表層毛細(xì)吸收作用加劇，導(dǎo)致在濕潤過程中毛細(xì)孔壓力作用下氯離子擴(kuò)散速率加快，更多的氯離子侵入混凝土；但干燥時(shí)間增加，氯離子滲入混凝土的時(shí)間縮短，氯離子進(jìn)入混凝土速率降低。

表6 SHCC 表面氯離子含量Cs 和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)DappTable 6 Surface chloride content Cs and apparent chloride diffusion coefficient Dapp of SHCC

綜上分析，SHCC 氯鹽傳輸性能與FA 的摻入有密切關(guān)系，作為一種活性礦物摻合料可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物水化硅酸鈣(C-S-H) 凝膠不僅可以填充孔隙，還可以粘附在PVA 纖維的表面，從而改善PVA 纖維的ITZ 粘結(jié)力，使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密。另外，PVA 纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了基體的韌性和抗彎強(qiáng)度，減少了裂紋的產(chǎn)生，從而減少了氯離子向混凝土內(nèi)部侵入的路徑。除此之外，氯離子向混凝土內(nèi)部滲入，與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，在孔隙中生成一些新的鹽，破壞基體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但由于FA 與PVA 纖維的共同作用，使水化產(chǎn)物量增大，氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)，氯離子會(huì)與纖維表面的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成Friedel 鹽附著在PVA 纖維的表面，從而減少了氯離子與基體之間的接觸面積，增加了基體的密實(shí)度，提高了混凝土對(duì)抗氯離子滲透的能力[11]。

3.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步探究不同干濕制度和暴露時(shí)間對(duì)SHCC 氯離子傳輸性能的影響，并驗(yàn)證所建立的數(shù)值仿真模型的準(zhǔn)確性，本節(jié)選擇了試驗(yàn)開展的3 種干濕比(3.0∶1、11.0∶1 和85.4∶1) 在暴露時(shí)間30 天、90 天和180 天的數(shù)值模擬結(jié)果。圖6 為不同干濕循環(huán)比下的自由氯離子濃度分布的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比，二者吻合較好。將SHCC 的細(xì)觀模型尺寸設(shè)置為50 mm×50 mm，其內(nèi)部自由氯離子含量分布云圖如圖7 所示。氯離子濃度峰值出現(xiàn)在表層，具有明顯的對(duì)流區(qū)，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，且隨著暴露時(shí)間的延長，氯離子濃度增大，峰值氯離子濃度明顯高于深層內(nèi)部的氯離子濃度，這也進(jìn)一步證明混凝土早期水化產(chǎn)物反應(yīng)不充分，PVA 纖維未能較好地被漿體包裹，從而基體內(nèi)部具有細(xì)小缺陷，且早期FA 的火山灰效應(yīng)與填充效應(yīng)較差，混凝土孔隙率增大，進(jìn)而提高了氯離子的滲透能力。除此之外，干濕循環(huán)比為11.0∶1 的氯離子濃度比干濕循環(huán)比3.0∶1 高但低于干濕循環(huán)比85.4∶1 的氯離子濃度，說明氯離子濃度隨干濕循環(huán)比增大而升高。此外，氯離子濃度受到纖維單元的影響，纖維周圍氯離子出現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象，但在同一滲透深度下氯離子濃度分布也不均勻，主要原因是由于在氯離子向混凝土內(nèi)部侵入的過程中，纖維周圍的流動(dòng)現(xiàn)象使其周圍的氯離子濃度偏高；另一方面，纖維在混凝土內(nèi)部的亂向分布也造成纖維周圍氯離子濃度的分布不均勻現(xiàn)象進(jìn)一步加劇[26]。

圖6 SHCC 自由氯離子含量計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.6 Comparison between calculated value and tested data of free chloride content in SHCC

圖7 SHCC 自由氯離子含量分布云圖Fig.7 Free chloride content distribution in SHCC

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建模型的有效性與適用性，選取文獻(xiàn)[26]中干濕循環(huán)作用下PVA 纖維混凝土氯鹽傳輸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證，具體模型計(jì)算參數(shù)如表7 所示。針對(duì)實(shí)際試驗(yàn)中纖維的影響產(chǎn)生的微裂紋或微缺陷作用，在細(xì)觀模擬中主要基于試驗(yàn)結(jié)果從間接方面考慮，確定其表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，通過計(jì)算得到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示，可以發(fā)現(xiàn)模型計(jì)算值與試驗(yàn)值擬合較好，進(jìn)一步說明了所建模型具有較高的精度，且證明了所建立的干濕循環(huán)作用下氯離子傳輸模型可表征非飽和狀態(tài)下SHCC 氯離子傳輸規(guī)律。

圖8 SHCC 中自由氯離子含量計(jì)算值與文獻(xiàn)[26]中試驗(yàn)值對(duì)比Fig.8 Comparison between calculated value of free chloride content in SHCC and tested data in literature [26]

表7 文獻(xiàn)[26]中PVA 纖維混凝土的氯離子傳輸模型計(jì)算參數(shù)值Table 7 Calculated parameter values of chloride transport model for PVA fiber reinforced concrete in literature [26]

4 結(jié) 論

(1) 應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料(SHCC) 的表面氯離子濃度(Cs) 和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Dapp)呈現(xiàn)明顯的時(shí)變性。在干濕循環(huán)比為85.4∶1，暴露時(shí)間為90 天和180 天時(shí)表面氯離子濃度相較于30 天分別提高了51.72%和83.45%，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低了27.71%和48.50%；當(dāng)干濕循環(huán)比一定，氯離子含量、表面氯離子濃度均隨暴露時(shí)間的延長而增大，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)則隨暴露時(shí)間的延長而減??；隨干濕循環(huán)比的增加，表面氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(2) 通過人工模擬浪濺區(qū)氯鹽侵蝕試驗(yàn)可知，SHCC 氯離子濃度峰值較高，但滲透深度及深層氯離子濃度較低，這主要是由于聚乙烯醇(PVA)纖維混凝土早期水化反應(yīng)不充分，導(dǎo)致PVA 纖維不能很好地被漿體包裹，容易產(chǎn)生細(xì)小裂縫，此外，早期粉煤灰(FA)未發(fā)生火山灰反應(yīng)，物理填充效應(yīng)較差，使基體內(nèi)部產(chǎn)生較大孔徑，為氯離子傳輸提供通道；后期隨著PVA 纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密及FA 發(fā)揮火山灰效應(yīng)提高其抗氯鹽滲透性能。

(3) 考慮氯離子的對(duì)流與擴(kuò)散耦合效應(yīng)，建立了干濕循環(huán)條件下非飽和混凝土氯離子傳輸模型；考慮纖維的隨機(jī)分布特征，基于細(xì)觀方法構(gòu)建了SHCC 仿真分析的二維模型，并開展了不同干濕循環(huán)作用下氯鹽傳輸行為的細(xì)觀數(shù)值仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的適用性與準(zhǔn)確性。