干湿循环下混凝土中水分及氯离子的传输机理研究

张智慧 王安辉

摘 要：干湿循环区域的混凝土受干湿交替作用，氯离子在混凝土中的渗透将大大加速。氯离子侵蚀混凝土结构尤为严重，本文结合水分在混凝土中的渗流模型，建立氯离子在混凝土中的传输模型研究。

关键词：混凝土；干湿循环；水分；氯离子；传输

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

大多数处于干湿循环环境作用下的工程，干湿交替作用将大大加速有害离子在混凝土中的渗透，不同的干湿循环制度会很大的影响离子的传输速度。干湿循环过程中，干燥使水分挥发，同时也增大了孔隙内部的离子含量。润湿过程中，由于干燥后的毛细吸附作用和扩散作用，离子随着水分迅速进入混凝土，从而离子进入的速度也随着温度、混凝土本身湿度和混凝土内部结构的变化而变化。故研究混凝土的干湿循环，研究混凝土的干燥过程和湿润过程就显得尤为重要，研究干湿循环环境下的混凝土性能更具有实际意义。在氯盐环境中，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀问题是混凝土耐久性研究的一个重要方面[1]。

1 干湿循环过程中水分传输机理及模型

混凝土结构的耐久性主要是与离子和水分的渗入有关，特别是海洋环境下氯离子进入钢筋混凝土构件中。已提出的多种离子和水分传输模型基于以下三个主要机制：吸收，扩散和渗透。干湿循环条件被认为是最不利的条件，因为表面毛细管吸收作用，外面侵蚀性溶剂可能更容易传输进入混凝土中，从而加速钢筋混凝土的劣化。

1.1 水泥基材料中水分传输机理

水泥基材料是一个由固相、气相和液相组成的多相复合系统。固相主要包括骨料、水泥水化产物、未水化颗粒及矿物掺合料等，是水泥基材料结构骨架的主体，液相为存在于水泥基材料内部的含多种离子的水溶液，即孔溶液；水在材料内部的存在形式主要有自由水、吸附水、结晶水和结构水（层间水）；气相则为分布于材料内部的孔隙，根据孔径大小不同可以分为凝胶孔、过渡孔、毛细孔及大孔等。外部介质则主要通过水泥基材料内部的连通性孔隙、裂缝在材料内部以渗透、扩散或层流形式传输。水在多孔材料中的运动可以分为七个段[2]，第一阶段：水分通过吸附和表面扩散进入材料的孔隙；第二阶段：水在孔壁上形成吸附层，水分通过蒸汽扩散进入材料内部，符合菲克扩散定律；第三阶段：随着内部湿度的增加，蒸汽冷凝形成水膜，并以水膜形式传输；第四阶段：孔壁水层屈服，液相和气相共同传输；第五阶段：孔内局部水饱和，形成液体渗流；第六阶段：孔完全饱和，完全为液相传输，符合达西定律；第七阶段：离子的传输。这七个阶段涵盖了多孔材料内部质量传输的所有过程：渗透、扩散及迁移。前六个阶段（或六种形式）为纯水分的传输。深入研究水泥复合基材料内部水分传输的不同形式及其基本传输机理，对充分理解材料耐久性和合理进行寿命预测与设计有着重要意义。

1.2 水分整体传输模型

大量耐久性问题与水分在混凝土中的存在和传输密切相关。完整的水分传输模型包括微分方程和与之相匹配的边界条件和初始条件。一个统一的扩散方程，通常被用来描述混凝土中整体的水分传输。

其中θ是混凝土孔隙的饱和度，x是坐标（mm），t是时间（s），D是饱和依赖水分扩散率（m2?s）。上述方程式有些简单化，使用必须谨慎。更复杂的模型是由Mainguy和Coussy提供的。对于一维情况下，初始含水量是描述最初的水分，

θ（x，t=0）=θini（x）边界条件1

θ（x=0，t>0）=θs（t）边界条件2

θ（x=∞，t>0）=θini（∞）边界条件3

而不同水分条件下在表面的狄利克雷边界条件2表示，在不同的饱和水分环境中，取x = 0。为了模拟半无限情况下，一个额外的边界条件是必要的，如边界条件3所示[3]。

2 干湿循环过程中氯离子传输机理及模型

在氯盐污染环境中，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀问题是混凝土耐久性研究的一个重要方面。干湿循环将会加剧氯离子的侵入程度，而自然界中干湿循环现象是很常见的，所以研究干湿循环环境下的混凝土性能具有实际意义。

游离氯离子在非饱和混凝土中的输运主要有四种驱动力，氯离子的不均匀分布引起的扩散作用、水压力引起的渗透作用、孔吸附作用和电迁移作用。第四种驱动力只有存在强外加电势时才非常重要， 因此这一项通常可以忽略。扩散是指混凝土饱水或含水程度很高时，氯离子在浓度梯度作用下在混凝土中的传输。渗透是指在水的压力梯度作用下，氯离子与水一起在混凝土中的传输。毛细吸收作用是指湿度比较低的混凝土与外界水接触时，氯离子由于毛细管的负压吸收作用而导致氯离子随水吸入以及随后氯离子在湿度梯度作用下与毛细管水一起在混凝土中传输的行为[2]。氯离子的传输，主要包含渗透传输、扩散传输（含气相扩散）、毛细管吸收引起的传输等。渗透传输主要是指水饱和材料在外部压力作用下的传输过程。多数环境条件下，材料很少处于完全饱水状态，因此，毛细管吸收和扩散传输起主导作用。毛细管吸收主要是在毛细吸附力作用下液相水传输；扩散传输主要指离子在浓度差条件下，或蒸汽在相对湿度差条件下的气相传输过程。离子在水泥基材料内部的传输则必须靠溶液的传输。

混凝土是一种饱和渗透系数很低的多孔材料，当混凝土处于干湿循环的环境中时，毛细孔的吸附性能是变化的，所以水分传输以及外部物质侵入的效率更高。一般认为干湿循环是令人最不乐观的混凝土环境条件。干湿循环中，干燥过程与润湿过程的驱动力是不一样的，不能简单地看作是互逆的过程。

干湿交替情况下，混凝土面层的氯离子浓度与交替次数的平方根有很好的线性关系。干湿循环过程中，干燥使水分挥发，同时也增大了孔隙内部的离子含量。再次润湿的过程中，离子随着水分进入混凝土。而离子进入的速度也随着温度、混凝土本身湿度和混凝土内部结构的变化而变化。故研究混凝土的干湿循环，研究混凝土的干燥过程和湿润过程就显得尤为重要，研究干湿循环环境下的混凝土性能更具有实际意义。

3 结论

干湿交替环境下混凝土中的氯离子传输，是水分传输与氯离子传输之间的耦合作用。在润湿阶段，干燥混凝土通过毛细作用大量吸入盐溶液，在干燥阶段，混凝土水分向外扩散，氯离子在表面积累，并通过浓度扩散向混凝土内部传输。是氯离子毛细吸收与扩散综合作用的结果。干湿交替环境是混凝土最容易发生耐久性劣化的区域。干湿交替环境下，氯离子侵蚀是引发混凝土中钢筋锈蚀、造成混凝土结构性能劣化的主要原因[4]。现今混凝土结构的耐久性问题已成为目前工程界普遍关注的重要课题，它不但直接影响到混凝土结构的使用年限及维护检修成本，还关系到环境保护与社会的可持续发展。因此，干湿循环下的混凝土构件由于氯盐的循环侵蚀导致混凝土结构提前破坏问题已然成为工程界重点研究的问题。

参考文献：

[1]李长贺.干湿交替下氯离子在混凝土中传输机理及模型研究[D].郑州：郑州大学水利与环境学院，2014.

[2]袁利强，孙丛涛，程火焰.非饱和混凝土氯离子传输模型研究综述[J].辽宁：混凝土，2015（06）：32-36.

[3]王海龙，黄启军，孙晓燕.疲劳损伤混凝土结构耐久性研究进展[J].黑龙江：低温建筑技术，2014，36（07）：4-7.

[4]延永东，姚昌建，刘荣桂.氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究进展[J].西安：建筑科学与工程学报，2015（04）：21-30.

基金项目：本文系2015年商丘工学院青年科研基金立项项目（编号：2015QKLX01）

作者简介：张智慧（1986-），女，河南商丘人，硕士，助教，研究方向：土木工程专业。