干濕循環(huán)下混凝土中水分及氯離子的傳輸機(jī)理研究

張智慧 王安輝

摘 要：干濕循環(huán)區(qū)域的混凝土受干濕交替作用，氯離子在混凝土中的滲透將大大加速。氯離子侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)尤為嚴(yán)重，本文結(jié)合水分在混凝土中的滲流模型，建立氯離子在混凝土中的傳輸模型研究。

關(guān)鍵詞：混凝土；干濕循環(huán)；水分；氯離子；傳輸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.247

大多數(shù)處于干濕循環(huán)環(huán)境作用下的工程，干濕交替作用將大大加速有害離子在混凝土中的滲透，不同的干濕循環(huán)制度會(huì)很大的影響離子的傳輸速度。干濕循環(huán)過(guò)程中，干燥使水分揮發(fā)，同時(shí)也增大了孔隙內(nèi)部的離子含量。潤(rùn)濕過(guò)程中，由于干燥后的毛細(xì)吸附作用和擴(kuò)散作用，離子隨著水分迅速進(jìn)入混凝土，從而離子進(jìn)入的速度也隨著溫度、混凝土本身濕度和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化。故研究混凝土的干濕循環(huán)，研究混凝土的干燥過(guò)程和濕潤(rùn)過(guò)程就顯得尤為重要，研究干濕循環(huán)環(huán)境下的混凝土性能更具有實(shí)際意義。在氯鹽環(huán)境中，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕問(wèn)題是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要方面[1]。

1 干濕循環(huán)過(guò)程中水分傳輸機(jī)理及模型

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性主要是與離子和水分的滲入有關(guān)，特別是海洋環(huán)境下氯離子進(jìn)入鋼筋混凝土構(gòu)件中。已提出的多種離子和水分傳輸模型基于以下三個(gè)主要機(jī)制：吸收，擴(kuò)散和滲透。干濕循環(huán)條件被認(rèn)為是最不利的條件，因?yàn)楸砻婷?xì)管吸收作用，外面侵蝕性溶劑可能更容易傳輸進(jìn)入混凝土中，從而加速鋼筋混凝土的劣化。

1.1 水泥基材料中水分傳輸機(jī)理

水泥基材料是一個(gè)由固相、氣相和液相組成的多相復(fù)合系統(tǒng)。固相主要包括骨料、水泥水化產(chǎn)物、未水化顆粒及礦物摻合料等，是水泥基材料結(jié)構(gòu)骨架的主體，液相為存在于水泥基材料內(nèi)部的含多種離子的水溶液，即孔溶液；水在材料內(nèi)部的存在形式主要有自由水、吸附水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水（層間水）；氣相則為分布于材料內(nèi)部的孔隙，根據(jù)孔徑大小不同可以分為凝膠孔、過(guò)渡孔、毛細(xì)孔及大孔等。外部介質(zhì)則主要通過(guò)水泥基材料內(nèi)部的連通性孔隙、裂縫在材料內(nèi)部以滲透、擴(kuò)散或?qū)恿餍问絺鬏敗Ｋ诙嗫撞牧现械倪\(yùn)動(dòng)可以分為七個(gè)段[2]，第一階段：水分通過(guò)吸附和表面擴(kuò)散進(jìn)入材料的孔隙；第二階段：水在孔壁上形成吸附層，水分通過(guò)蒸汽擴(kuò)散進(jìn)入材料內(nèi)部，符合菲克擴(kuò)散定律；第三階段：隨著內(nèi)部濕度的增加，蒸汽冷凝形成水膜，并以水膜形式傳輸；第四階段：孔壁水層屈服，液相和氣相共同傳輸；第五階段：孔內(nèi)局部水飽和，形成液體滲流；第六階段：孔完全飽和，完全為液相傳輸，符合達(dá)西定律；第七階段：離子的傳輸。這七個(gè)階段涵蓋了多孔材料內(nèi)部質(zhì)量傳輸?shù)乃羞^(guò)程：滲透、擴(kuò)散及遷移。前六個(gè)階段（或六種形式）為純水分的傳輸。深入研究水泥復(fù)合基材料內(nèi)部水分傳輸?shù)牟煌问郊捌浠緜鬏敊C(jī)理，對(duì)充分理解材料耐久性和合理進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)有著重要意義。

1.2 水分整體傳輸模型

大量耐久性問(wèn)題與水分在混凝土中的存在和傳輸密切相關(guān)。完整的水分傳輸模型包括微分方程和與之相匹配的邊界條件和初始條件。一個(gè)統(tǒng)一的擴(kuò)散方程，通常被用來(lái)描述混凝土中整體的水分傳輸。

其中θ是混凝土孔隙的飽和度，x是坐標(biāo)（mm），t是時(shí)間（s），D是飽和依賴水分?jǐn)U散率（m2?s）。上述方程式有些簡(jiǎn)單化，使用必須謹(jǐn)慎。更復(fù)雜的模型是由Mainguy和Coussy提供的。對(duì)于一維情況下，初始含水量是描述最初的水分，

θ（x，t=0）=θini（x）邊界條件1

θ（x=0，t>0）=θs（t）邊界條件2

θ（x=∞，t>0）=θini（∞）邊界條件3

而不同水分條件下在表面的狄利克雷邊界條件2表示，在不同的飽和水分環(huán)境中，取x = 0。為了模擬半無(wú)限情況下，一個(gè)額外的邊界條件是必要的，如邊界條件3所示[3]。

2 干濕循環(huán)過(guò)程中氯離子傳輸機(jī)理及模型

在氯鹽污染環(huán)境中，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕問(wèn)題是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要方面。干濕循環(huán)將會(huì)加劇氯離子的侵入程度，而自然界中干濕循環(huán)現(xiàn)象是很常見(jiàn)的，所以研究干濕循環(huán)環(huán)境下的混凝土性能具有實(shí)際意義。

游離氯離子在非飽和混凝土中的輸運(yùn)主要有四種驅(qū)動(dòng)力，氯離子的不均勻分布引起的擴(kuò)散作用、水壓力引起的滲透作用、孔吸附作用和電遷移作用。第四種驅(qū)動(dòng)力只有存在強(qiáng)外加電勢(shì)時(shí)才非常重要， 因此這一項(xiàng)通常可以忽略。擴(kuò)散是指混凝土飽水或含水程度很高時(shí)，氯離子在濃度梯度作用下在混凝土中的傳輸。滲透是指在水的壓力梯度作用下，氯離子與水一起在混凝土中的傳輸。毛細(xì)吸收作用是指濕度比較低的混凝土與外界水接觸時(shí)，氯離子由于毛細(xì)管的負(fù)壓吸收作用而導(dǎo)致氯離子隨水吸入以及隨后氯離子在濕度梯度作用下與毛細(xì)管水一起在混凝土中傳輸?shù)男袨閇2]。氯離子的傳輸，主要包含滲透?jìng)鬏敗U(kuò)散傳輸（含氣相擴(kuò)散）、毛細(xì)管吸收引起的傳輸?shù)取B透?jìng)鬏斨饕侵杆柡筒牧显谕獠繅毫ψ饔孟碌膫鬏斶^(guò)程。多數(shù)環(huán)境條件下，材料很少處于完全飽水狀態(tài)，因此，毛細(xì)管吸收和擴(kuò)散傳輸起主導(dǎo)作用。毛細(xì)管吸收主要是在毛細(xì)吸附力作用下液相水傳輸；擴(kuò)散傳輸主要指離子在濃度差條件下，或蒸汽在相對(duì)濕度差條件下的氣相傳輸過(guò)程。離子在水泥基材料內(nèi)部的傳輸則必須靠溶液的傳輸。

混凝土是一種飽和滲透系數(shù)很低的多孔材料，當(dāng)混凝土處于干濕循環(huán)的環(huán)境中時(shí)，毛細(xì)孔的吸附性能是變化的，所以水分傳輸以及外部物質(zhì)侵入的效率更高。一般認(rèn)為干濕循環(huán)是令人最不樂(lè)觀的混凝土環(huán)境條件。干濕循環(huán)中，干燥過(guò)程與潤(rùn)濕過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力是不一樣的，不能簡(jiǎn)單地看作是互逆的過(guò)程。

干濕交替情況下，混凝土面層的氯離子濃度與交替次數(shù)的平方根有很好的線性關(guān)系。干濕循環(huán)過(guò)程中，干燥使水分揮發(fā)，同時(shí)也增大了孔隙內(nèi)部的離子含量。再次潤(rùn)濕的過(guò)程中，離子隨著水分進(jìn)入混凝土。而離子進(jìn)入的速度也隨著溫度、混凝土本身濕度和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化。故研究混凝土的干濕循環(huán)，研究混凝土的干燥過(guò)程和濕潤(rùn)過(guò)程就顯得尤為重要，研究干濕循環(huán)環(huán)境下的混凝土性能更具有實(shí)際意義。

3 結(jié)論

干濕交替環(huán)境下混凝土中的氯離子傳輸，是水分傳輸與氯離子傳輸之間的耦合作用。在潤(rùn)濕階段，干燥混凝土通過(guò)毛細(xì)作用大量吸入鹽溶液，在干燥階段，混凝土水分向外擴(kuò)散，氯離子在表面積累，并通過(guò)濃度擴(kuò)散向混凝土內(nèi)部傳輸。是氯離子毛細(xì)吸收與擴(kuò)散綜合作用的結(jié)果。干濕交替環(huán)境是混凝土最容易發(fā)生耐久性劣化的區(qū)域。干濕交替環(huán)境下，氯離子侵蝕是引發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕、造成混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要原因[4]。現(xiàn)今混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已成為目前工程界普遍關(guān)注的重要課題，它不但直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限及維護(hù)檢修成本，還關(guān)系到環(huán)境保護(hù)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，干濕循環(huán)下的混凝土構(gòu)件由于氯鹽的循環(huán)侵蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前破壞問(wèn)題已然成為工程界重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李長(zhǎng)賀.干濕交替下氯離子在混凝土中傳輸機(jī)理及模型研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，2014.

[2]袁利強(qiáng)，孫叢濤，程火焰.非飽和混凝土氯離子傳輸模型研究綜述[J].遼寧：混凝土，2015（06）：32-36.

[3]王海龍，黃啟軍，孫曉燕.疲勞損傷混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究進(jìn)展[J].黑龍江：低溫建筑技術(shù)，2014，36（07）：4-7.

[4]延永東，姚昌建，劉榮桂.氯鹽環(huán)境下開(kāi)裂混凝土耐久性研究進(jìn)展[J].西安：建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（04）：21-30.

基金項(xiàng)目：本文系2015年商丘工學(xué)院青年科研基金立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：2015QKLX01）

作者簡(jiǎn)介：張智慧（1986-），女，河南商丘人，碩士，助教，研究方向：土木工程專業(yè)。