張希瑾　田穩(wěn)苓　王浩宇　卿龍邦

摘要：

為了準(zhǔn)確評估帶裂縫工作混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，針對氯離子在帶裂縫混凝土中的擴散過程進(jìn)行研究。提出了無損制備裂縫的方法，可高效易行地在混凝土側(cè)面及內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。對帶裂縫的水泥砂漿試件進(jìn)行氯鹽溶液浸泡試驗，深入研究了單縫和雙縫試件中氯離子的擴散作用，修正了氯離子的擴散系數(shù)，并對帶裂縫混凝土的氯離子擴散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：氯離子會沿裂縫發(fā)展方向及垂直于裂縫發(fā)展方向擴散，隨著水灰比的減小，砂漿試件的抗氯離子擴散性能明顯提高，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)裂縫間距增大，雙縫間的氯離子擴散交互影響作用明顯減小，ANSYS軟件的模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好。

關(guān)鍵詞：

混凝土；裂縫；氯離子；擴散試驗；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU528.01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）02003508

Abstract：

Process of chloride ion diffusion in concrete with cracks is studied to accurately assess durability performance of concrete structure with cracks. Preparation of cracks with nondestructive method is proposed， which can produce cracks in internal concrete or on its side face effectively. Chlorine salt solution immersion experiments on the concrete with cracks is conducted. It is studied on the chloride ion diffusion effect of specimen with single slit and double slits， and revised chloride ion diffusion coefficient， and simulating chloride ion diffusion process of concrete with cracks. Research results show that the chloride ion diffusion will occur along or perpendicular to the cracking direction， and decreasing of the water cement ratio， resistivity to chloride ion diffusion in cement mortar specimens increased significantly. In a specific range， increasing cracks spacing， the chloride ion diffusion interaction between double slits obviously decreases. And simulation results in ANSYS are in good agreement with those data obtained in test.

Keywords：

concrete； cracks； chloride ion； diffusion test； numerical simulation

中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)正處于高峰期，其中已暴露出大量的結(jié)構(gòu)耐久性問題。氯離子擴散作用所造成的鋼筋銹蝕在整個耐久性問題中尤為嚴(yán)重?；炷两Y(jié)構(gòu)會在溫度效應(yīng)、體積收縮及荷載等作用下產(chǎn)生裂縫，加速保護層混凝土的失效進(jìn)程，使鋼筋遭受腐蝕，進(jìn)而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。通過研究氯離子在帶裂縫混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的擴散過程來預(yù)測內(nèi)部鋼筋的脫鈍時間，可以為結(jié)構(gòu)的耐久性評估提供方便，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

學(xué)者們通過對浸泡條件下氯離子在帶裂縫混凝土中的擴散過程研究，得出了以下結(jié)論：相同侵蝕時間內(nèi)，裂縫處的氯離子濃度顯著增加，侵蝕一定時間后，垂直裂縫路徑的氯離子濃度分布與暴露表面向混凝土內(nèi)氯離子擴散過程的分布十分相似[15]。張君等[6]研究表明，短期侵蝕作用下，裂縫處的氯離子濃度與裂縫寬度有關(guān)，而長期侵蝕作用下，裂縫處氯離子濃度受裂縫寬度的影響較小。氯離子在混凝土中的擴散速度小于其在裂縫中的速度，裂縫曲折性對氯離子擴散過程造成的影響不明顯[78]。Takewaka等[9]研究表明，當(dāng)裂縫寬度小于0.05 mm時，裂縫對氯離子的擴散系數(shù)影響很??；在0.05～0.1 mm之間時，擴散系數(shù)能夠增長10倍；大于0.1 mm 時，擴散系數(shù)還會大幅增加。另外一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，裂縫內(nèi)的氯離子擴散系數(shù)隨著裂縫寬度的變化存在上下限值[1013]，其中，上限為氯離子在水中的擴散系數(shù)，下限為氯離子在相應(yīng)混凝土內(nèi)的擴散系數(shù)。延永東等[14]對己有文獻(xiàn)中的試驗結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，得出了裂縫寬度在0.03～0.125 mm之間氯離子擴散系數(shù)的計算公式。

目前，制備帶裂縫混凝土的方法有一定的局限性，關(guān)于帶裂縫混凝土中氯離子擴散機理方面的研究還不夠完善。筆者提出了無損制備裂縫的方法，通過氯鹽溶液浸泡試驗方法，研究裂縫寬度及裂縫深度對單縫試件及裂縫間距對雙縫試件氯離子擴散過程的影響，修正氯離子擴散系數(shù)，利用ANSYS模擬氯離子擴散過程，并將其結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1氯鹽溶液浸泡試驗

1.1試件的制備

試驗采用水泥砂漿制作試件。相比混凝土，水泥砂漿較均勻，有利于觀察試驗結(jié)果及數(shù)值模擬。試驗中單縫試件的裂縫寬度為0.2 mm、深度為40 mm；雙縫試件的裂縫寬度為0.2 mm、深度為50 mm，裂縫間距分別為10、20及30 mm，砂漿配合比見表1。

1.2無損制備裂縫方法

提出的無損制備裂縫方法及試驗裝置可高效易行地在混凝土側(cè)面及內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，不僅解決了產(chǎn)生裂縫方法的局限性，還可以改變試模的尺寸、形狀及鋼片的寬度和厚度。

試驗定做不同尺寸的高強度、高韌性不銹鋼鋼片，并通過圖1所示的試驗裝置將鋼片固定。在試件澆注24 h后脫模，養(yǎng)護至齡期后，使用電子萬能試驗機將鋼片小心拔出，已拆除鋼片的帶裂縫混凝土試件如圖2所示。利用此方法在100 mm×100 mm×100 mm的砂漿試件上制備單裂縫及不同間距的雙裂縫。

1.3試驗過程

將帶裂縫試件置于氫氧化鈣溶液中浸泡7 d以達(dá)到飽和狀態(tài)，然后放入濃度為5%的氯化鈉溶液開始自然浸泡，除開裂面及其對面，其他4個側(cè)面用石蠟密封，持續(xù)30 d，日平均氣溫20 ℃。浸泡結(jié)束后取出試件，洗去試件表面鹽溶液并晾干，將試塊垂直于裂縫方向劈開，在斷裂面噴灑0.1 mol/L的硝酸銀溶液，15 min后以黑色記號筆勾勒出顯色分界線，并用鋼尺測量出分界線與試塊底面之間的距離，即氯離子擴散深度。試驗中的測量點包括裂縫處及其左右5、10、15、20、25、30、35、40 mm處，并對頂部及拐角位置進(jìn)行加密測量，精確至0.1 mm。

2實驗結(jié)果分析

2.1單縫砂漿試件試驗結(jié)果及分析

水灰比為0.4（裂縫寬度0.2 mm、深度40 mm）的單縫砂漿試件氯離子擴散深度如圖3所示，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制不同水灰比試件氯離子擴散深度如圖4所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)裂縫間距大于等于30 mm時，雙縫間擴散的交互影響作用不明顯，故試驗重點分析不同水灰比情況下，裂縫間距分別為10 mm和20 mm時氯離子擴散的交互作用。由圖6可知，當(dāng)裂縫間距為10 mm時，0.4水灰比試件的氯離子擴散曲線類似于由兩個單縫砂漿氯離子擴散曲線簡單組合而成，在雙縫間幾乎未發(fā)生交互影響。0.5水灰比及0.6水灰比試件的雙縫間產(chǎn)生了較為明顯的擴散交互作用，頂部曲線類似于拋物線，與單縫砂漿相比，雙縫砂漿擴散曲線的最高點由兩條裂縫的正上方轉(zhuǎn)移到了兩條裂縫的中心位置，雙縫氯離子擴散時的最高點位置比單縫最高點高出1.2 mm及1.1 mm。當(dāng)裂縫間距為20 mm時，0.4和0.5水灰比試件的雙縫擴散交互作用不明顯，而0.6水灰比試件受到兩縫氯離子擴散作用的交互影響程度小于間距為10 mm的試件。

3帶裂縫混凝土氯離子擴散機理分析

3.1氯離子擴散方程

氯離子在混凝土內(nèi)的輸運方式是基于氯離子濃度梯度引起的擴散作用，并滿足Fick定律。其前提假設(shè)為：

1）混凝土為一維擴散。

2）基體的氯離子結(jié)合能力為0。

3）暴露表面的氯離子濃度及氯離子擴散系數(shù)為定值。

則根據(jù)Fick定律，其控制方程為

Ct=xDCx（1）

式中：C為氯離子濃度，kg/m3；D為氯離子擴散系數(shù)，m2/s。

相應(yīng)的初始條件及邊界條件為

x> 0 且 t= 0，C=C0

x= 0 且 t> 0，C=Cs

式中：C0為混凝土內(nèi)的初始氯離子濃度，kg/m3；Cs為混凝土暴露面的氯離子濃度，kg/m3。

求解方程（1），可得出預(yù)測混凝土中氯離子濃度的計算式

C=C0+（Cs-C0）1-erfx2Dt（2）

式中：erf（·）為誤差函數(shù)，erf（u）=∫u0e-t2dt。

3.2擴散系數(shù)的修正

實際情況中，混凝土氯離子擴散系數(shù)會受到氯離子結(jié)合能力、環(huán)境溫度條件、時間等因素影響，綜合考慮各方面因素，氯離子擴散系數(shù)D可表示為

D=Fc（ccl）·Ft（tcl）·FT（Tcl）·Do（3）

式中：Fc（ccl）為氯離子結(jié)合能力調(diào)整系數(shù)；Ft（tcl）為時間調(diào)整系數(shù)；FT（Tcl）為溫度調(diào)整系數(shù)；Do為參考狀態(tài)情況下的氯離子擴散系數(shù)。

3.2.1氯離子吸附作用影響因素

混凝土中的總氯離子濃度由結(jié)合氯離子濃度與自由氯離子濃度構(gòu)成，只有自由氯離子會導(dǎo)致鋼筋脫鈍銹蝕，其中三者的關(guān)系為[15]

C=ωCf+Cb（4）

式中：C為總氯離子濃度；Cf為自由氯離子濃度；Cb為結(jié)合氯離子濃度；ω為膠凝材料含水率。

氯離子結(jié)合能力調(diào)整系數(shù)Fc（ccl）可以表示為

Fc（ccl）=DaDe（5）

式中：Da為考慮吸附作用下的氯離子擴散系數(shù)；De為不考慮吸附作用下的氯離子擴散系數(shù)。

學(xué)者們給出的氯離子結(jié)合模型，可以概括為線性結(jié)合模型、Freundlich結(jié)合模型及Langmuir結(jié)合模型3種形式。筆者選用Langmuir模型進(jìn)行數(shù)值計算

Cb=αCf1+βCf，CbCf=α（1+βCf）2，

Da=De1+αω（1+βCf）2（6）

式中：α和β為Langmuir常數(shù)，Ishida等[16]發(fā)現(xiàn)在普通混凝土中，α=11.8，β= 4.0；對于粉煤灰混凝土，α=-15.5γ2+1.8γ+11.8（0≤γ≤0.4），γ為粉煤灰取代水泥量。

3.2.2時間影響因素

根據(jù)Kowon等[17]的研究結(jié)論可知，時間對氯離子擴散系數(shù)的影響因素Ft（tcl）可以表示為

Ft（tcl）=11-β（30t）β t<30 a[1+30t（β1-β）]（30t）βt≥30 a

（7）

式中：β為依賴于混凝土自身性質(zhì)的常數(shù)，對于普通混凝土，β可取為0.46。

3.2.3溫度影響因素

Stephen等[18]通過試驗研究，得出了氯離子擴散系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律，建立了考慮溫度影響的擴散系數(shù)公式

FT（Tcl）=expq1T1-1T（8）

式中：q為常數(shù)，當(dāng)水灰比為0.4時，q=6 000；水灰比為0.5時，q=5 450；水灰比為0.6時，q=3 850，當(dāng)水灰比為中間值時采用線性內(nèi)插法得出q值。T1為參考溫度，取為296 K；T為實際溫度。

3.3數(shù)值模型的建立

采用硝酸銀顯色法測定氯離子擴散深度，雖然操作簡單，但是使硝酸銀顯色的氯離子濃度存在下限值，這意味著當(dāng)氯離子濃度小于此限值時的濃度分布便無法得知，更無法對氯離子的具體濃度值及其濃度梯度分布進(jìn)行研究，而通過有限元數(shù)值計算能夠得到任意時間點、不同位置處的氯離子濃度，繼而可以開展更深層次的分析及理論驗證。

采用有限元法對帶裂縫混凝土中的氯離子擴散過程進(jìn)行計算，根據(jù)氯離子擴散控制方程與ANSYS中溫度場控制方程的相似性，將氯離子濃度C替換為溫度T，氯離子擴散系數(shù)D替換為導(dǎo)熱系數(shù)K，并將溫度場絕熱溫升項設(shè)置為0（代表混凝土內(nèi)部自身不產(chǎn)熱），密度與質(zhì)量熱容參數(shù)均設(shè)置為1，即可用ANSYS溫度場分析模塊對氯離子擴散問題進(jìn)行數(shù)值計算。模型采用文獻(xiàn)[19]的計算方法，得到表面氯離子濃度為860 mol/m3。

模型采用PLANE55二維單元進(jìn)行計算，混凝土內(nèi)初始氯離子濃度為0，孔隙飽和，環(huán)境溫度20 ℃。以裂縫寬度0.2 mm、裂縫深度10 mm的混凝土試件為例，用式（3）計算出的氯離子擴散系數(shù)D=12.2×10-12 m2/s，劃分網(wǎng)格后的模型如圖7所示，時間步長為24 h，浸泡時間為30 h。

3.4.1數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

為了與有限元數(shù)值計算所得濃度值進(jìn)行對比，進(jìn)行相應(yīng)的30 d氯鹽溶液浸泡試驗，試驗中以鉆孔取粉方法[20]測定裂縫深度為10 mm、裂縫寬度分別為0.1、0.2、0.3及0.5 mm混凝土試件的氯離子濃度。此方法可以測得試塊斷面裂縫區(qū)域周圍不同位置處的氯離子濃度，與硝酸銀的顯色區(qū)域相對比，得到顯色區(qū)域邊界處氯離子濃度約為79 mol/m3，故可由氯離子濃度分布云圖讀出相應(yīng)的氯離子擴散深度。

圖9為不同裂縫寬度下的氯離子擴散深度理論值與試驗值，從圖中可以看出，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有良好的一致性。當(dāng)擴散寬度在10 mm范圍內(nèi)時，氯離子擴散深度隨著擴散寬度的增加而顯著減?。划?dāng)擴散寬度超過10 mm后，氯離子擴散深度基本保持在一條水平線上。對比圖9（a）～（d）可知，試驗和模擬所得的氯離子擴散深度均隨裂縫寬度的增加而增長，在0～18 d時，氯離子擴散深度的增加相對顯著，18 d之后變化不明顯，裂縫寬度對于擴散深度的增加起到了更為顯著的影響作用。

3.4.2裂縫寬度對氯離子擴散深度的影響

不同裂縫寬度下氯離子擴散深度隨時間的變化規(guī)律如圖10所示。18 d后氯離子擴散深度的變化不明顯，因此，圖中給出了前24 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可知，氯離子在帶裂縫混凝土中的擴散深度隨時間的增長而增大，但速率逐漸減緩，18 d后趨于平穩(wěn)，相同時間時氯離子擴散深度隨著裂縫寬度的增加而增大。在擴散寬度為15 mm處，擴散深度隨裂縫寬度的變化規(guī)律如圖11所示，可以看出，當(dāng)裂縫寬度小于0.1 mm時，擴散深度隨著裂縫寬度的增加呈現(xiàn)顯著的線性增長趨勢；而當(dāng)裂縫寬度超過0.1 mm時，氯離子擴散深度增長速率降低。

3.4.3時間因素對氯離子濃度分布的影響

在模型內(nèi)部任取一點（x=15 mm，y=25 mm），分析時間對氯離子濃度分布的影響，同樣給出前24 d數(shù)據(jù)，濃度分布曲線如圖12所示。從圖中可以看出，氯離子濃度隨時間的變化規(guī)律基本一致，而且裂縫的存在對于氯離子在混凝土中的擴散過程起到了促進(jìn)作用。24 d時不同裂縫寬度下的氯離子濃度增長率整理見表2，從表中可以看出氯離子濃度隨著裂縫寬度的增加首先減小然后趨于穩(wěn)定，且在裂縫寬度小于0.1 mm時，氯離子濃度的增長速度明顯比裂縫寬度大于0.1 mm時要快。

3.4.4裂縫深度對氯離子濃度分布的影響

對于不同裂縫深度，氯離子濃度隨裂縫開展方向（即y方向）的分布情況如圖13所示。從圖中可以看出，帶裂縫混凝土中的氯離子濃度明顯大于完整混凝土中的氯離子濃度。當(dāng)裂縫寬度相同時，裂縫深度越大，氯離子濃度下降速率越快。當(dāng)氯離子濃度等于79 mol/m3時，對應(yīng)的橫坐標(biāo)值即為這一點的擴散深度。

氯離子濃度隨垂直于裂縫開展方向（即x方向）的分布情況如圖14所示。從圖中可以看出，裂縫深度為15 mm的開裂模型中氯離子濃度明顯大于其他裂縫深度，說明當(dāng)裂縫深度到達(dá)某一限值會對氯離子擴散產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)裂縫寬度為0.3 mm時，縫深為10 mm的開裂模型中的氯離子濃度分布相較于裂縫寬度為0.2 mm時有了顯著增加。

4結(jié)論

以氯離子在帶裂縫混凝土中的擴散過程研究為主線，提出了無損制備裂縫方法，同時進(jìn)行了氯鹽溶液浸泡試驗研究，并應(yīng)用ANSYS軟件對氯離子擴散過程進(jìn)行了模擬，得出如下結(jié)論：

1）利用提出的無損制備裂縫新方法成功實現(xiàn)了制備寬度及深度可控的帶裂縫混凝土試件，滿足了不同種類試驗裂縫制備方案的要求，便于開展單裂縫及多裂縫存在條件下的混凝土耐久性試驗研究。

2）帶裂縫砂漿試件中的氯離子會發(fā)生沿裂縫發(fā)展方向及垂直于裂縫發(fā)展方向的擴散作用，隨著水灰比的減小，砂漿試件的抗氯離子擴散性能明顯提高，當(dāng)裂縫間距為20 mm時，雙縫間的氯離子擴散交互影響作用明顯小于裂縫間距為10 mm時。

3）綜合考慮了氯離子結(jié)合能力、環(huán)境溫度條件及侵蝕時間等影響因素，修正了氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)。應(yīng)用ANSYS軟件對帶裂縫混凝土中的氯離子擴散過程進(jìn)行了模擬，氯離子擴散深度在0～18 d增長相對明顯，相較于時間因素，裂縫寬度對于擴散深度的增加起到了更為顯著的影響作用。當(dāng)裂縫寬度小于0.1 mm時，擴散深度隨著裂縫寬度的增加呈現(xiàn)線性增長趨勢；而當(dāng)裂縫寬度超過01 mm時，氯離子擴散深度增長速率減緩。

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（編輯胡英奎）