干濕循環下混凝土中水分及氯離子的傳輸機理研究

張智慧 王安輝

摘 要：干濕循環區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構尤為嚴重，本文結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。

關鍵詞：混凝土；干濕循環；水分；氯離子；傳輸

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

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

1 干濕循環過程中水分傳輸機理及模型

混凝土結構的耐久性主要是與離子和水分的滲入有關，特別是海洋環境下氯離子進入鋼筋混凝土構件中。已提出的多種離子和水分傳輸模型基于以下三個主要機制：吸收，擴散和滲透。干濕循環條件被認為是最不利的條件，因為表面毛細管吸收作用，外面侵蝕性溶劑可能更容易傳輸進入混凝土中，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理

水泥基材料是一個由固相、氣相和液相組成的多相復合系統。固相主要包括骨料、水泥水化產物、未水化顆粒及礦物摻合料等，是水泥基材料結構骨架的主體，液相為存在于水泥基材料內部的含多種離子的水溶液，即孔溶液；水在材料內部的存在形式主要有自由水、吸附水、結晶水和結構水（層間水）；氣相則為分布于材料內部的孔隙，根據孔徑大小不同可以分為凝膠孔、過渡孔、毛細孔及大孔等。外部介質則主要通過水泥基材料內部的連通性孔隙、裂縫在材料內部以滲透、擴散或層流形式傳輸。水在多孔材料中的運動可以分為七個段[2]，第一階段：水分通過吸附和表面擴散進入材料的孔隙；第二階段：水在孔壁上形成吸附層，水分通過蒸汽擴散進入材料內部，符合菲克擴散定律；第三階段：隨著內部濕度的增加，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，符合達西定律；第七階段：離子的傳輸。這七個階段涵蓋了多孔材料內部質量傳輸的所有過程：滲透、擴散及遷移。前六個階段（或六種形式）為純水分的傳輸。深入研究水泥復合基材料內部水分傳輸的不同形式及其基本傳輸機理，對充分理解材料耐久性和合理進行壽命預測與設計有著重要意義。

1.2 水分整體傳輸模型

大量耐久性問題與水分在混凝土中的存在和傳輸密切相關。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。一個統一的擴散方程，通常被用來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（mm），t是時間（s），D是飽和依賴水分擴散率（m2?s）。上述方程式有些簡單化，使用必須謹慎。更復雜的模型是由Mainguy和Coussy提供的。對于一維情況下，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境中，取x = 0。為了模擬半無限情況下，一個額外的邊界條件是必要的，如邊界條件3所示[3]。

2 干濕循環過程中氯離子傳輸機理及模型

在氯鹽污染環境中，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕問題是混凝土耐久性研究的一個重要方面。干濕循環將會加劇氯離子的侵入程度，而自然界中干濕循環現象是很常見的，所以研究干濕循環環境下的混凝土性能具有實際意義。

游離氯離子在非飽和混凝土中的輸運主要有四種驅動力，氯離子的不均勻分布引起的擴散作用、水壓力引起的滲透作用、孔吸附作用和電遷移作用。第四種驅動力只有存在強外加電勢時才非常重要， 因此這一項通常可以忽略。擴散是指混凝土飽水或含水程度很高時，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。毛細吸收作用是指濕度比較低的混凝土與外界水接觸時，氯離子由于毛細管的負壓吸收作用而導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管水一起在混凝土中傳輸的行為[2]。氯離子的傳輸，主要包含滲透傳輸、擴散傳輸（含氣相擴散）、毛細管吸收引起的傳輸等。滲透傳輸主要是指水飽和材料在外部壓力作用下的傳輸過程。多數環境條件下，材料很少處于完全飽水狀態，因此，毛細管吸收和擴散傳輸起主導作用。毛細管吸收主要是在毛細吸附力作用下液相水傳輸；擴散傳輸主要指離子在濃度差條件下，或蒸汽在相對濕度差條件下的氣相傳輸過程。離子在水泥基材料內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很低的多孔材料，當混凝土處于干濕循環的環境中時，毛細孔的吸附性能是變化的，所以水分傳輸以及外部物質侵入的效率更高。一般認為干濕循環是令人最不樂觀的混凝土環境條件。干濕循環中，干燥過程與潤濕過程的驅動力是不一樣的，不能簡單地看作是互逆的過程。

干濕交替情況下，混凝土面層的氯離子濃度與交替次數的平方根有很好的線性關系。干濕循環過程中，干燥使水分揮發，同時也增大了孔隙內部的離子含量。再次潤濕的過程中，離子隨著水分進入混凝土。而離子進入的速度也隨著溫度、混凝土本身濕度和混凝土內部結構的變化而變化。故研究混凝土的干濕循環，研究混凝土的干燥過程和濕潤過程就顯得尤為重要，研究干濕循環環境下的混凝土性能更具有實際意義。

3 結論

干濕交替環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。在潤濕階段，干燥混凝土通過毛細作用大量吸入鹽溶液，在干燥階段，混凝土水分向外擴散，氯離子在表面積累，并通過濃度擴散向混凝土內部傳輸。是氯離子毛細吸收與擴散綜合作用的結果。干濕交替環境是混凝土最容易發生耐久性劣化的區域。干濕交替環境下，氯離子侵蝕是引發混凝土中鋼筋銹蝕、造成混凝土結構性能劣化的主要原因[4]。現今混凝土結構的耐久性問題已成為目前工程界普遍關注的重要課題，它不但直接影響到混凝土結構的使用年限及維護檢修成本，還關系到環境保護與社會的可持續發展。因此，干濕循環下的混凝土構件由于氯鹽的循環侵蝕導致混凝土結構提前破壞問題已然成為工程界重點研究的問題。

參考文獻：

[1]李長賀.干濕交替下氯離子在混凝土中傳輸機理及模型研究[D].鄭州：鄭州大學水利與環境學院，2014.

[2]袁利強，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.疲勞損傷混凝土結構耐久性研究進展[J].黑龍江：低溫建筑技術，2014，36（07）：4-7.

[4]延永東，姚昌建，劉榮桂.氯鹽環境下開裂混凝土耐久性研究進展[J].西安：建筑科學與工程學報，2015（04）：21-30.

基金項目：本文系2015年商丘工學院青年科研基金立項項目（編號：2015QKLX01）

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