再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀的多相数值研究

2020-09-12毛丽璇刘清风

硅酸盐通报 2020年8期

胡志，毛丽璇，刘清风

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室，上海 200240)

0 引言

近年来随着我国固体废弃物生产总量的持续增加，所引发的各种生态、经济和社会问题日益突出。值得注意的是，建筑垃圾是这些固体废弃物的主要来源。我国每年产生建筑垃圾的总量达到近18亿吨，占城市垃圾总量的30%～40%，但其资源化利用率却不足5%，远低于部分发达国家和地区[1]。为保护自然资源以及减少建筑垃圾填埋用地，现有的一种有效方法是将废弃混凝土用于生产再生粗骨料(Recycled Coarse Aggregates,RCA)，并用其配制成新的混凝土，即再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)。随着再生骨料及再生骨料混凝土逐渐被运用在钢筋混凝土结构中，耐久性问题日益凸显，其中氯盐侵蚀是当前研究的重点之一[2-7]。

再生骨料的组成成分包括旧水泥砂浆(30%～35%)以及天然粗骨料和细骨料(65%～75%)[3,5,8-9]。相比于天然骨料，研究表明再生骨料拥有更高的吸水能力,更低的表观密度,更差的耐磨性和更加复杂的非匀质性[3,10-11]。因此，再生骨料混凝土的抗氯离子侵蚀性能与普通混凝土显著不同。

再生骨料混凝土是一种拥有复杂微观结构的多相复合材料，包括新砂浆、旧砂浆、核心区天然粗骨料、位于新砂浆与旧砂浆之间的新界面过渡区,以及位于核心区天然粗骨料与旧砂浆之间的旧界面过渡区。周春圣等[12]建立三相圆形再生混凝土模型，包含天然粗骨料或再生粗骨料、多孔介质以及介于二者之间的界面过渡区，并用有限元方法求解二维数值模型的稳定渗透问题。Xiao等[13]建立针对单颗圆形再生粗骨料的再生混凝土五相模型，并研究局部再生粗骨料参数敏感性分析对氯离子渗透的影响。Ying等[14]提出四种圆形再生骨料取代率的混凝土模型，并分析其对氯离子扩散分布的影响。

为更好地探究再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀性能，本文从细微观尺度将其视为五相复合非匀质材料。首先，建立包含新砂浆、新砂浆-旧砂浆间的新界面过渡区、附着旧砂浆、旧砂浆-核心区天然骨料间的旧界面过渡区、核心区天然骨料在内的五相数值分析模型，相比从宏观角度将离子渗透基质(即再生骨料混凝土)视为均匀同质化的假设更加合理。其次，基于Matlab编程语言实现各体积分数再生粗骨料的随机投放，最大可达70%，且粒径分布符合Fuller级配要求。随后采用参数化分析方法，定量研究再生粗骨料体积分数、附着旧砂浆占比和新、旧界面过渡区厚度等关键物理参数对再生骨料混凝土有效氯离子扩散系数及离子时空分布的影响。

1 理论背景

1.1 再生骨料混凝土有效氯离子扩散系数

当仅考虑氯离子的扩散过程时，离子输运过程可由Fick第二定律表示：

(1)

式中：C(x,y,t)表示时间为t、位置(x,y)处的氯离子浓度；Dk表示氯离子在第k相的扩散系数(k=1,2,3,4,5,分别代表新砂浆、新界面过渡区、附着旧砂浆、旧界面过渡区和核心区天然骨料)。

根据给定的各相扩散系数、边界和初始氯离子浓度，混凝土中任意时刻的氯离子分布情况可由控制方程(1)算得。而氯离子在边界x=l处的平均扩散通量Jx=l在稳态阶段可由以下方程得到：

(2)

将再生骨料混凝土数值模型视为宏观混凝土结构中的一个微单元，则氯离子的平均扩散通量Jx=l也可表示为：

(3)

式中：Deff为再生骨料混凝土有效氯离子扩散系数;C1为边界x=0处氯离子浓度。将式(2)代入式(3)可得：

(4)

1.2 再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀的模型参数

再生骨料混凝土数值模型的长度和高度分别为l和h，且均为50 mm，如图1所示。由示意图可知骨料形状为圆形，而真实混凝土中骨料通常为卵石或碎石，形状并非正圆形，但包括本文作者在内的学者研究发现，对于一些较为复杂的离子输运过程，如对流、电迁移或其耦合作用时，骨料形状对离子传输的影响不可忽略[15-16]。而在仅考虑扩散为主的离子输运过程时，现有研究表明骨料形状对离子传输的影响十分有限，可忽略不计[17-19]，因此本文将骨料形状简化为圆形。为获得收敛且稳定的数值解，将五相数值模型的网格设置为最大不超过0.001 m、最小为3.75×10-6m的自由三角形网格，网格划分示意图如图2所示。

图1 五相再生骨料混凝土几何示意图Fig.1 Schematic representation of five-phase composite sphere model of RAC

图2 五相再生骨料混凝土数值模型网格划分示意图(V=50%)Fig.2 Mesh diagram of five-phase composite sphere model of RAC (V=50%)

参数化分析中，粗骨料的体积分数(V)取值分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%。旧砂浆附着率(R)是指旧砂浆层附着厚度与整颗骨料半径的比值，取值分别为0.1、0.2、0.3和0.4，相较于实际情况，含量略为偏大。值得注意的是，受破碎加工工艺等影响，再生粗骨料表面的旧砂浆含量与分布各不相同。为便于量化附着旧砂浆的含量及其对氯离子扩散的影响，本文将其简化为一层均匀分布在核心区天然骨料表面的老旧砂浆。界面过渡区的厚度(TITZ)可由文献[13,16,20-22]统计得到，结果主要分布在5～60 μm范围内。本文设定新界面过渡区(Tnew,ITZ)和旧界面过渡区(Told,ITZ)的厚度相同，且取值均为20 μm、40 μm和60 μm。

由于各相微观结构的不同，其氯离子扩散系数也存在极大差异。由文献[13,23-27]调研统计可知，新砂浆的氯离子扩散系数(Dnew,mor)主要集中在1×10-12～12×10-12m2/s之间。旧砂浆的氯离子扩散系数(Dold,mor)方面，目前尚未发现针对性研究，而再生骨料的生产加工过程导致旧砂浆内部存在许多微裂缝，这些微裂缝难以测定，却是影响砂浆中氯离子扩散系数的重要因素之一[28]。Xiao等[13]根据文献[29]中氯离子扩散系数与裂缝宽度之间的关系曲线，总结得出带裂缝(0～0.3 mm)砂浆的氯离子扩散系数是不带裂缝砂浆的1～5倍，并因此设定旧砂浆的氯离子扩散系数为新砂浆的1～5倍。本文同样采取上述方法，并设定Dold,mor与Dnew,mor的比值为2。此外，由文献[13,30]可得界面过渡区的氯离子扩散系数为砂浆的2.0～16.2倍。本文设定新、旧界面过渡区的氯离子扩散系数(即Dnew, ITZ和Dold, ITZ)分别为新砂浆和旧砂浆的10倍。旧砂浆层包裹的骨料即为母混凝土中的天然骨料，在数值研究中，通常将天然粗骨料视为不可渗透，或为避免有限元计算中的阈值突变，而赋予极小的扩散系数。本文将核心区天然骨料的氯离子扩散系数(Dagg)近似视为不可渗透，并赋值为1×10-12mm2/s。

图3 本文数值模型的计算结果与文献[31]试验结果的对比分析Fig.3 Comparative analysis of the numerical results in this paper and the experimental results in the reference [31]

本文所采取的计算指标为标准化氯离子扩散系数，即混凝土的有效氯离子扩散系数(DRAC)与新砂浆氯离子扩散系数的比值[19]，此外也将对氯离子在不同模型中的扩散深度与时空分布进行多维度评价。为进一步验证数值模型的可靠性，将数值计算结果与覃荷瑛[31]的试验结果进行对比验证。根据该实验提供的参数，试件为半径和高均为50 mm的圆柱体(剖面与本文数值模型尺寸相同)，骨料体积分数在10%～50%之间，试验测得界面过渡区厚度为50 μm，新砂浆中氯离子扩散系数为12×10-12m2/s。基于前述试验参数，本文进行相应数值计算。验证前需将其试验结果转化为标准化氯离子扩散系数，验证结果如图3所示，数值计算结果与试验数据比较吻合，比对结果较为理想。

2 参数化分析结果与讨论

2.1 再生粗骨料体积分数的影响

基于前述各参数的取值范围，表1所列为本节参数化分析中各相氯离子扩散系数及ITZ厚度的基准设置，即表中参数保持不变，仅改变待分析参数(骨料体积分数)。

表1 数值分析的物理参数Table 1 Physical parameters of numerical analysis

图4 再生粗骨料体积分数对再生骨料混凝土标准化氯离子扩散系数的影响Fig.4 Effect of the volume fraction of RCA on the standardized chloride diffusivity of RAC

图4为给定旧砂浆附着率的情况下，标准化扩散系数随骨料体积分数的变化曲线。由图4(a)和(b)可知，当R=0.1和R=0.2时，标准化氯离子扩散系数随着体积分数的增大，在小范围内发生了非常明显的波动。这主要是由于旧砂浆(渗透性更强)的含量与核心区天然骨料(近似不可渗透)的含量对于混凝土整体的扩散性能起着相反效应。当核心区天然骨料的效应占主导作用时，标准化氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增大而减小，此现象与文献[25]中的试验结果一致。比如当R=0.1时，意味着每颗骨料表面仅附着薄薄一层旧砂浆，随着此类骨料体积分数的增大，再生骨料混凝土的氯离子扩散系数将逐渐减小，即核心区天然骨料的含量更占优势。相反地，当附着旧砂浆的含量占主导作用时，氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增大而增大。比如当R=0.2时，骨料体积分数从50%逐渐增大至70%，此时骨料含量足够多，骨料表面薄薄一层旧砂浆的总含量也足以使得整体氯离子扩散系数逐渐增大。由图4(c)和(d)可知，当R=0.3和R=0.4时，标准化氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增加而增大，且增长趋势类似。此时可以理解为旧砂浆的效应一直占主导地位，此现象也与现有试验研究结果相一致[32]。而对于天然骨料混凝土而言，其氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增大而减小。由此也表明当附着旧砂浆越少时，混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力将有所提高。

2.2 旧砂浆附着率的影响

由前述分析可知，旧砂浆的含量对混凝土抗氯离子侵蚀能力的影响极大。为探明在给定骨料体积分数下，旧砂浆附着率对混凝土标准化氯离子扩散系数的影响，基准参数设置如表1所示。

图5 旧砂浆附着率对再生骨料混凝土标准化氯离子扩散系数的影响Fig.5 Effect of the adhesive ratio of old mortar on the standardized chloride diffusivity of RAC

旧砂浆附着率对再生骨料混凝土标准化氯离子扩散系数的影响如图5所示。由图5可知，当骨料体积分数固定时，标准化氯离子扩散系数随附着率的增加而增大，此规律与Xiao等[13]解析结果一致。对比各组扩散系数的增大幅度可以发现，随着附着率的增大，每组扩散系数的增幅也在增加，此规律在各骨料体积分数下皆成立。例如当V=10%时，R=0.4相比于R=0.1，扩散系数的增幅仅为8.40%；而当V=70%时，R=0.4相比于R=0.1，增幅达到62.45%。这主要是因为随着骨料体积分数的增加，旧砂浆附着率较大时，附着旧砂浆的整体含量相应增加，并显著加剧了混凝土整体的氯离子扩散性能。这也表明附着旧砂浆的含量对再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀有着显著影响。

为进一步阐明旧砂浆附着率对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响，选取附着率分别为0.1、0.2和0.3的再生骨料混凝土进行海水浸泡模拟试验，并对其720 d后氯离子扩散深度与分布进行对比，数值分析参数及边界、初始条件设置如表2和表3所示，旧砂浆附着率对再生骨料混凝土中氯离子浓度分布的影响如图6所示。由图6可直观看出，随着旧砂浆附着率的增大，氯离子渗透深度随之增加。

表2 数值分析的几何参数与性能参数Table 2 Geometrical and performance parameters of numerical analysis

表3 案例中数值分析的初始条件和边界条件设置Table 3 Initial and boundary conditions of individual species in this case study

图6 旧砂浆附着率对再生骨料混凝土中氯离子浓度分布的影响(t=720 d)Fig.6 Effect of the adhesive ratio of old mortar on the chloride distribution of RAC (t=720 d)

2.3 界面过渡区厚度的影响

再生骨料的加入进一步增加混凝土中界面过渡区的种类和含量，而界面过渡区一向被视为抗氯离子性能薄弱的区域。为探明新、旧界面过渡区厚度对再生混凝土氯离子扩散性能的影响，本节数值分析的基准参数设置如表4所示。

表4 数值分析的几何参数与性能参数Table 4 Geometrical and performance parameters of numerical analysis

图7 界面过渡区厚度对再生骨料混凝土标准化氯离子扩散系数的影响Fig.7 Effect of the thickness of ITZ on the standardized chloride diffusivity of RAC

界面过渡区厚度对再生骨料混凝土标准化氯离子扩散系数的影响如图7所示。由图7可知，在给定骨料体积分数时，扩散系数随着界面过渡区厚度的增加而增大，并且各组扩散系数的增幅与骨料体积分数呈正相关趋势。在7组骨料体积分数中，TITZ=60 μm相比于TITZ=20 μm，扩散系数的增幅分别达到3.77%、9.50%、14.63%、18.97%、23.95%、30.64%和39.76%。究其原因，随着骨料体积分数的增大，附着旧砂浆的总含量也越来越多。此外，对比各组TITZ=20 μm的扩散系数可以发现，随着骨料体积分数的增加，混凝土整体的扩散系数保持在近似相等的水平，仅在极小的范围内波动。这意味着当界面过渡区厚度极小时，其影响十分微小，而随着骨料体积分数的增加，附着旧砂浆与核心区天然骨料的含量均在增加，如前文所述，这二者对于混凝土氯离子扩散系数起着相反作用，且恰好在此参数设置下，这二者的效应达到了相对平衡状态。