滨海混凝土浪溅区氯离子渗透特性模拟研究

韩 迅，关云飞，张 晨，朱 洵

(南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210024)

滨海混凝土结构的耐久性长期以来是工程技术人员十分关心的问题，其中最常见的耐久性问题为氯离子侵蚀。滨海混凝土结构浪溅区指的是最高潮水位以上受到海浪侵蚀的区域，在实际工程中，浪溅区边界水分和氯盐含量一直处于快速变动过程中，如何计算强烈干湿循环作用下的氯离子渗透是结构耐久性分析的重点之一[1]。常见的用于评估暴露在海洋环境下的混凝土结构耐久性的方法可以分为经验模型和物理模型[2]。经验模型主要基于Fick定律；物理模型则主要基于质量守恒方程的推导。在计算滨海混凝土浪溅区氯离子渗透时最常采用物理模型[3]，因为物理模型中的表观扩散系数可直接用公式方便地表达。对于浪溅区的边界条件，则可以通过采用离子的正态分布特征、调整传输系数以及控制离子浓度等方式描述。本文采用有限元方法，基于DuCOM[4]离子渗透计算框架，对氯离子渗透影响因素和浪溅区渗透计算方法进行了研究，可以为滨海混凝土在不同环境条件下结构耐久性防护提供一定参考。

1 氯离子渗透模型

1.1 分析框架

本研究采用的分析框架为DuCOM多场耦合有限元计算系统[5]，该系统由水泥水化模块、微观结构模块和氯离子传输模块组成，其计算框架如图1所示。混凝土中的氯离子输运机制可以由对流和扩散解释，其渗透本构方程如公式(1)所示[6]。

(1)

式中：φ为孔隙率；S为孔隙水饱和度；CC l为自由氯离子含量，mol/L；JC l为通量，mol/(m2·s)；QC l为汇项，mol/(L·s)。

图1 氯离子传输的DuCOM计算框架

1.2 边界条件

氯离子从混凝土表面向结构内部传输的过程中一般认为受到两种基本机制[7]控制，第一种为扩散，表示为式(2)；第二种机制为吸附机制，即由于材料对离子的吸附作用从而导致在表层单元内的氯离子浓度比环境中的氯离子浓度稍高，因此将这一部分的氯离子浓度增大表示为qa式(3)：

qd=-EC l(CC l-Cs)

(2)

(3)

式中：qd为氯离子扩散通量，mol/(m2·s)；EC l为表面传输系数，取1.0×10-3m/s，Cs为环境氯离子浓度，mol/L；kC l为吸附系数，普通硅酸盐水泥取1.5×10-3m/s[8]。

相关研究[9]表明上文给出的模型仅适用于浸没条件下的传输计算，而在浪溅过程中，由于边界湿度和氯离子含量随时间处于不断变化状态，离子的传输特征也不断变化，因此如何确定计算边界是精确模拟浪溅条件下离子渗透的关键问题之一。文献[3]中通过设置动态离子边界模拟氯离子的渗透过程，但由于并未考虑水分随时间的变化特征，因此其模拟和实际传输过程并不相符。本文将在Tang[3]的基础上进一步考虑离子和水分的时变规律，并给出下式以表达以下氯离子和湿度边界的动态变化过程如式(4)～式(5)：

(5)

图2 边界相对氯离子浓度和相对湿度变化曲线

2 试验方法

浪溅试验通过自动喷淋NaCl溶液模拟浪溅区边界特征，并在试验中将浪溅周期设置为2 h的，即每2 h喷淋一次，每次喷淋持续1 min，使得在试件喷淋表面形成薄层水膜。试验参数如表1所示[10]。

表1 浪溅试验参数

3 有限元分析

图3 氯离子渗透有限元模型

图4显示随着w/c从0.65减小到0.50，60 d渗透深度从74 mm减小到25 mm，表层单元附近最大氯离子含量从4.0%减小到3.2%。这是由于随着水灰比的减小，混凝土材料的孔隙率逐渐减小，减小了氯离子的扩散和对流通量，因此其在孔隙中的传输速率减小，渗透深度和含量也随之降低。

图4 水灰比对氯离子渗透分布的影响曲线

图5显示对于水灰比为0.57的混凝土，渗透60 d后，不同边界氯离子浓度(3%、6%、8%)条件下，最大渗透深度几乎都为40 mm，区别主要在于不同深度处的氯离子含量，即边界浓度越大，同一深度处的氯离子含量越大，且越靠近边界，差异越明显。

图5 边界浓度对氯离子渗透分布的影响曲线

图6显示在水灰比和边界氯离子浓度一定时，渗透时间越长，氯离子的最大渗透深度越大，同一深度处氯离子的含量也越大，且氯离子最大差值的位置在表层和最大深度之间，对比图5和图7可知，不同渗透时间导致的含量分布差异与不同水灰比导致的差异规律类似。

图6 渗透时长对氯离子渗透分布的影响曲线

图7显示随着温度的降低，氯离子的渗透深度和速率都逐渐减小，当外界温度从20℃降低到-20℃,渗透深度从40 mm减小到20 mm，说明低温对于氯离子的渗透速率具有较大抑制作用；表面附近的最大氯离子含量在不同温度下差别不大，这是因为三种温度下的边界氯离子浓度相同。

图7 温度对氯离子渗透分布的影响曲线

从以上计算和分析可推知，对于保护层厚度一定的滨海钢筋混凝土结构，控制边界氯离子浓度并不能很好地避免钢筋受到氯离子的侵蚀，而减小混凝土水灰比和减少结构受到海水侵蚀的时间，可以减小氯离子渗透深度，从而降低钢筋受到侵蚀的可能性；另一方面，低温可以减缓但并不能阻止氯离子的渗透，因此在寒区仍需要对氯离子侵蚀予以关注。

4 浪溅区渗透模拟

在恒定边界模拟的基础上，采用动态离子和湿度边界进行浪溅条件下氯离子的渗透模拟，如图8～图10所示。

图8 边界湿度对浪溅区氯离子渗透的影响曲线

图9 边界浓度对浪溅区氯离子渗透的影响曲线

图10 边界类型对浪溅区氯离子渗透的影响曲线

图8给出了采用6%边界氯离子浓度和不同边界湿度条件(Rhs=99.9%,90.0%,80.0%)模拟浪溅区渗透效果的结果，可以看出对于边界直接采用实际喷淋的氯离子浓度的情况，当边界湿度条件取近似饱和99.9%时，模拟结果比实验值偏大，而降低湿度条件可以更好地模拟浪溅区氯离子渗透效果。当湿度从99.9%降低到90.0%时，氯离子含量显著降低；当湿度从90.0%降低到80.0%时，氯离子含量变化很小。

图9给出了通过将边界氯离子浓度从6%降低到3%时的渗透模拟结果，可以看到相对于6%原浓度模拟，降低边界离子浓度可以有效逼近真实试验结果，这说明浪溅区的氯离子渗透某种程度上类似于低浓度渗透的效果。

图10给出了采用动态边界模拟浪溅区氯离子渗透的结果，可以看到模拟结果相对于恒定6%浓度效果更好，但模拟结果和试验值之间仍存在偏差，即在靠近表面处偏小，而内部偏大，这可能是因为采用动态边界低估了表面氯离子浓度的累积效果，而采用的渗透系数公式在非饱和情况下可能高估了离子的传输速率[10]。

5 结 论

本文基于多场耦合有限元计算系统，将浪溅区氯离子渗透的边界水分对流和浪溅频率特征纳入理论模型，针对滨海混凝土结构浪溅区氯离子渗透过程进行了数值模拟研究，得到以下结论：

(1)混凝土中氯离子含量主要受到边界氯离子浓度、水灰比和渗透时间的影响，其中边界氯离子浓度越大，表层氯离子含量越高，而对内部氯离子浓度影响较小。

(2)降低边界湿度和氯离子浓度可以近似模拟浪溅区氯离子渗透的效果，且随着边界湿度的降低，湿度变化对氯离子渗透速率的影响迅速减小。

(3)采用动态离子和湿度边界可以较好地模拟浪溅区离子渗透过程，但需进一步考虑浪溅条件下边界离子的累积效应。