主拉應力與干濕交替耦合作用下混凝土中氯離子傳輸分析

■曾 佳

（長沙理工大學土木工程學院， 長沙 410114）

受到環境惡化， 海水侵蝕等外界環境的影響，臨海鋼筋混凝土結構受到環境的侵蝕日益增大，由此引起的結構耐久性降低情況已受到各個國家學者的關注。 而氯離子作為造成鋼筋混凝土結構耐久性降低的主要因素，許多學者已經對氯離子在混凝土中的傳輸進行了研究。 李杰等[1]運用Fick 第二定律對氯離子傳輸進行了模擬；Li 等[2]則對不同荷載產生的壓應力作用下氯離子分布進行了試驗研究；王海龍等[3]通過試驗分析了持續壓荷載作用下混凝土中氯離子傳輸，得出滲透的臨界應力水平為0.4。然而，針對主拉應力和干濕交替共同作用下氯離子傳輸的研究較少，缺乏工程應用的指導公式。 因此，通過建立鋼筋混凝土結構在主拉應力和干濕交替耦合作用下氯離子濃度隨深度的變化方程，探究氯離子在荷載和環境共同作用下的傳輸機理，采用數值模擬的方法分析氯離子在不同主拉應力和干濕交替作用下的擴散規律，可為混凝土結構耐久性評估作出參考。

1 主拉應力和干濕循環耦合作用下的公式推導

國內外學者對氯離子侵蝕進行了大量的研究[4]，普遍認為氯離子傳輸性能由氯離子擴散系數決定[5]，通常情況下可用Fick 第二定律來描述，并能獲得一定初始條件和邊界條件的數學解。

1.1 氯離子傳輸的理論方程

基于Fick 第二擴散定律基本假設[4]，混凝土簡單氯離子擴散理論模型：

式（1）中：cx為深度x 處氯離子濃度（%）；c0為表面氯離子濃度（%）；cs為環境介質的氯離子濃度（%）；D 為氯離子擴散系數（m2/s）；t 為滲透時間（s）。

1.2 主拉應力和干濕循環作用下的氯離子傳輸的理論方程

1.2.1 考慮主拉應力作用下的理論方程

建立主拉應力狀態下的氯離子擴散系數與主拉應力及無應力狀態下的氯離子擴散系數存在下列關系：

式（2）中：Dσ1為主拉應力為σ1時氯離子擴散系數（10-11m2/s）；σ1為主拉應力（MPa）；A1,A2,A3為經驗系數。

1.2.2 考慮干濕循環作用的理論模型

姬永生等[6]的試驗研究表明，與在氯鹽浸泡中相比， 氯離子的擴散速度在干濕交替下明顯加快，故引入劣化因子（K=2.64）[7]得到有效侵蝕時間：

式（3） 中：tst和tgt分別為濕潤與干燥的時間，i為干濕循環的次數。

式（4）中：σ1為主拉應力（MPa）；D0為無應力狀態下氯離子擴散系數（10-11m2/s）；A1，A2，A3，K 為經驗系數。

2 主拉應力和干濕循環耦合作用下氯離子滲透數值模型驗證

2.1 案例介紹

付傳清等[7]通過試驗研究了混凝土受拉應力和干濕交替共同作用下氯離子的傳輸。 在他們的試驗中，制作了4 根鋼筋混凝土矩形梁，尺寸為100 mm×160 mm×1400 mm，測得28 d 齡期的標準立方體抗壓強度為50.6 MPa，對梁進行三分點加載，荷載等級分別為極限抗彎承載能力的28%、22%、16%、10%。 本試驗將混凝土梁側面用環氧樹脂密封，將梁置于全自動環境模擬箱對干濕循環時間比進行精確控制，干濕周期時間為干18 h+濕6 h，試驗時間為60 d，濕潤條件下模擬箱為5%的NaCl 鹽霧環境，干燥條件下RH=60%，T=50℃。 最后氯離子測定采用對不同深度的混凝土進行鉆孔取粉后采用滴定法測定。

2.2 氯離子擴散系數與混凝土主拉應力的數值模型

為了分析主拉應力對氯離子傳輸的影響，本文建立了主拉應力與氯離子擴散系數的關系對比圖。由圖1 可知，主拉應力達到18.15 MPa 時氯離子擴散系數達到3.45 MPa 時的1.8 倍，故主拉應力的增大加速了氯離子的傳輸速率。

圖1 氯離子擴散系數與主拉應力對應關系

2.3 模型驗證

利用式（4）及經驗參數并結合上述案例中的主拉應力與擴散系數的關系，然后將上述案例試驗實測值與模型理論值進行對比分析（多因素耦合裂化因子根據荷載等級為極限抗彎承載能力的10%理論值與實測值進行對比，取理論值與實測值偏差最小的μ 值平均作為多因素耦合裂化因子。 對最大主應力和干濕循環耦合作用下的氯離子濃度計算結果帶入上述模型進行計算μ=1.376 時， 模型的試驗實測值和理論值之間的吻合度最佳。

C50 混凝土在最大主應力分別為7.2、9.4、11.1、24.6 MPa 時混凝土不同深度的氯離子濃度，經過干濕循環60 次，如圖2～5 所示。

圖2 最大主應力為7.2 MPa 時氯離子濃度隨深度變化理論與實測對比

圖3 最大主應力為9.4 MPa 時氯離子濃度隨深度變化理論與實測對比

圖4 最大主應力為11.1 MPa 時氯離子濃度隨深度變化理論與實測對比

圖5 最大主應力為24.6 MPa 時氯離子濃度隨深度變化理論與實測對比

從圖2～5 可以看出， 當最大主應力為7.2 MPa和9.4 MPa 時，除部分氯離子侵蝕深度的理論值與實測值相差較大外（如圖2 侵蝕深度為27.5 mm），其它侵蝕深度的模型擬合度較好，分析原因為試驗測量誤差和模型精確度導致； 而當最大主應力為11.1 MPa 和24.6 MPa 時， 侵蝕深度小于17.5 mm 時模型理論值與實測值偏差較大，原因可能是沒有考慮混凝土對氯離子的吸附和結合作用，而侵蝕深度大于17.5 mm 曲線擬合度較好。 因此，上述模型可適用于預測主拉應力數值較小時，也適用于主拉應力較大但侵蝕深度超過17.5 mm 的氯離子濃度的預測。

3 結果分析與討論

（1）利用該模型對在1 個干濕循環過程中，干濕周期時間為干18 h+濕6 h， 共進行60 個干濕循環，進行無應力狀態下氯離子濃度隨深度變化的模擬。 有研究表明混凝土中臨界氯離子濃度值在0.07%到0.36%之間[8]，本文選取0.1%作為氯離子腐蝕鋼筋的參考標準。 （2）對不同主拉應力狀態下氯離子濃度隨深度變化的數值模擬如圖6 所示。由圖6可知， 無應力狀態下達到臨界濃度在混凝土表面以下15 mm 處。 不同主拉應力作用下氯離子濃度隨深度變化的基本趨勢一致，但與無應力狀態相比，主拉應力有明顯加快氯離子傳輸的作用， 而同一深度下的氯離子濃度隨著主拉應力的增大而增大。

圖6 不同主拉應力狀態下氯離子濃度隨深度變化對比

4 結語

（1）推導出了氯離子在混凝土中受主拉應力和干濕交替作用下的新擴散方程，得到了氯離子擴散理論基準模型。 并通過引入多因素耦合劣化因子（μ）得出了主拉應力和干濕交替耦合作用下的新擴散修正計算公式。 經過與試驗的對比分析，驗證了上述模型可將預測主拉應力數值較小（主拉應力小于9.4 MPa）時，也適用于預測主拉應力較大但侵蝕深度超過17.5 mm 的氯離子濃度。 （2）混凝土內各深度處氯離子濃度隨著主拉應力水平的增加而增加。 當主拉應力水平高于7 MPa 時，臨界氯離子濃度基準面距離混凝土表面超過50 mm，大大超過無應力狀態下的臨界氯離子濃度基準面距離混凝土表面的15 mm，此現象表明，主拉應力有明顯增大混凝土中氯離子濃度的作用。