干湿交替对混凝土中氯离子分布影响的多相耦合数值分析

李荣涛，TUAN Christopher Y.

(1.大连大学，辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，大连 116622；2.内布拉斯加-林肯大学土木工程系，奥马哈 68182)

0 引 言

几乎所有形式的钢筋混凝土劣化现象都或多或少的与有害物质通过材料孔隙的侵入有关，比如氯离子侵蚀就是导致结构早期劣化的主要原因之一。虽然氯离子不会直接对混凝土材料产生严重危害，但它会破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋锈蚀,而伴随着锈蚀物的不断生成，巨大的体积膨胀力会导致混凝土保护层开裂甚至与钢筋剥离，危及结构的设计承载能力。因此在氯盐环境下，提高结构的抗腐蚀能力是保证结构耐久性的重要任务之一，而全面了解氯离子侵蚀混凝土的影响因素则是前提与关键。

近年来，国内外相继开展了混凝土中氯离子输运过程的数值模拟与试验分析研究，氯离子的分布规律和侵蚀过程的影响因素得到了广泛探讨[1-5]。但实际结构所处环境复杂多变，结构材料多处于非饱和状态，混凝土中氯离子的迁移方式不仅要考虑扩散过程，还需考虑毛细、渗透等对流作用，此外氯离子的传输也会受到温度和湿度的共同影响[6-7]，如材料中水分的蒸发-凝结以及盐分的溶解-沉淀相态变化。

为此，本研究首先建立了混凝土材料中多相耦合的氯离子侵蚀模型，用于数值模拟耦合热量、湿分和气体间相互影响的氯离子传输过程，同时特别考虑到了水分和氯盐的相态变化。基于此模型，利用数值模拟手段着重探讨了环境湿度对氯离子侵蚀混凝土过程的影响。分析结果表明，环境湿度的改变不仅会引起混凝土中含水率的变化，而且对混凝土中氯离子的分布产生显著的影响，可作为混凝土结构减防腐蚀灾害设计的重要参考。

1 热-湿-气耦合影响下的氯离子侵蚀模型

在非饱和状态下，假设混凝土为各向同性均质材料，混合气相、混合液相和固态氯盐相将在材料孔隙中同时存在。孔隙中混合液相视为理想溶液，由液态水和溶解氯盐组成，且假设只溶解一种氯盐，混合气相视为理想气体，由干空气和水蒸气构成。

由多相系统体积平均化理论[8]，宏观下各相及组成部分的质量守恒偏微分方程组为

(1)

(2)

式中：ξ为液相溶解盐分的质量浓度，kg·kg-1；ρl为孔隙液相的质量密度，kg·m-3；n为孔隙率；Sl为孔隙液相饱和度；Dh为盐分在液相中的扩散张量，m2·s-1；vls为液相在孔隙中的流动速度，m·s-1。显而易见，方程(2)中第二项代表扩散效应对混凝土中离子传输过程的影响，而对流效应影响则由方程第三项描述。

环境温度的变化会使热量在材料内部以热传导和热对流形式传输，并且会影响到氯离子的侵蚀过程，在同时考虑到水分和盐分的相变吸放热现象后，模型中的控制能量守恒方程[9]可写成：

(3)

式中：T代表温度,K；ρ为材料平均密度，kg·m-3；Cp材料的平均热容,J·kg-1·K-1;λeff为材料的有效热传导系数，W·m-1·K-1；Cpα和ρα(α=l、g)分别代表孔隙液相、气相的等压热容(J·kg-1·K-1)和表观密度(kg·m-3)；vgs代表气相在孔隙中的流动速度，m·s-1；Δhv和Δhp分别是水的蒸发焓和盐分的结晶焓,J·kg-1。

为数值求解构成模型的耦合控制方程组，模型以u、pg、pc、ξ和T(骨架位移、气相压力、毛细压力、盐分浓度和温度)为未知变量，基于有限单元法对其进行空间离散:

(4)

(5)

最后使用牛顿-拉夫逊迭代法求解:

(6)

上式(5)和(6)中，Δt是时间步长，Xn+1和Xn分别指tn+1和tn时刻下的基本未知向量，k为迭代步标记。

2 模型验证

采用Rucker等[10]的试验结果对本文的多相耦合氯离子侵蚀模型进行有效性验证。试验中试件尺寸为5 mm×5 mm×130 mm，密度为2 120 kg·m-3，孔隙率为17%，固有渗透率为2.4×10-19m2。初始时试件材料处于干燥状态，除两端外其他表面均进行了防水隔热处理，然后将试件浸泡至NaCl饱和溶液中，由于孔隙中毛细压力的存在，NaCl溶液将会随时间慢慢浸透入试件中，试验利用无损检测方法对不同时刻下试件中盐分与水分含量进行测定。

相同条件下，利用本文的数值模型对该试验进行数值模拟分析。对比图1中在浸入NaCl溶液2 h、4.5 h、8 h和22 h后盐分和水分含量的模型预测值与试验测定值，显示出本文所建立的氯盐传输耦合数学模型及数值计算方法在分析多孔介质中盐分传输过程的准确性和有效性。

图1 t=2 h、4.5 h、8 h和22 h下盐分与水分含量预测值与试验值的比较

3 环境湿度对混凝土中氯离子侵蚀过程影响的数值分析

初始时，混凝土墙体处于温度20 ℃、相对湿度12%的环境下，材料的主要参数[11]为：液相饱和度Sl,0=0.7，n=0.12，孔隙率k=6×10-21m2，热传导系数λd=0.82 W·(m·K)-1和密度ρ=2 200 kg·m-3。假设初始混入材料中的NaCl已完全溶入孔隙液相中，且质量浓度ξ0=0.15 kg/kg。经干燥50 h后保持环境温度不变，环境湿度开始逐渐升高，100 h时环境湿度达到70%。基于本文模型，沿墙体厚度方向进行有限元模拟，数值分析干湿交替环境下混凝土墙体中氯离子的侵蚀过程。

图2为表面处液相饱和度随时间的变化，图3为不同时刻液相饱和度的分布。在初始干燥环境下，外表面处混凝土墙体的水分最先丧失，从图2可以看到在干燥50 h后表面处的孔隙液相饱和度降到0.13左右。而墙面孔隙内水分的蒸发会触发墙体内水分的迁移，但材料的低渗透性决定了在靠近表面区域还是会出现一片干燥区(见图3)。与此同时，随着材料内水分的传输变化，孔隙溶液中的氯离子也会不断迁移，但当水分蒸发后孔隙溶液中的盐分浓度必然会迅速升高，在墙面处表现的尤为明显，如图4和5所示。干燥大约17 h后墙面孔隙液相中的盐分最先达到了饱和状态，随之发生结晶现象(见图6)，最多时结晶物大约占据材料孔隙体积的2.6%，图7为不同时刻沉淀氯盐的分布，显示出结晶现象主要集中在靠近墙体外表面区域。

50 h后墙体周围环境湿度逐渐升高，潮湿空气中的水分会从墙面处侵入混凝土材料内(见图2)，在100 h时墙面孔隙内的液相饱和度将会升到0.54左右，并且湿分会不断向内部迁移(见图3)。随着材料内水分含量的升高，孔隙中氯化钠溶液的浓度会持续下降，墙面附近区域的下降程度更加显著(见图4、图5)，当材料孔隙中氯化钠溶液再次达到非饱和状态时，原先孔隙中析出的结晶物将重新溶入液相，92 h左右材料孔隙中将完全不再含有固态盐分(见图6、图7)。

图2 表面处液相饱和度随时间的变化

图3 不同时刻液相饱和度的分布

图4 表面处氯盐浓度随时间的变化

图5 不同时刻氯盐浓度的分布

图6 表面处沉淀氯盐随时间的变化

图7 不同时刻沉淀氯盐的分布

4 结 论

(1)混凝土材料组成复杂，通常可以看做为一种含有固、液和气三态的非饱和多孔体系。当受到外部氯离子侵蚀时材料内部必然会发生多种物理和化学变化，包括液态水分蒸发与凝结、固态盐分溶解与沉淀两个重要的相变过程，此二者将直接影响混凝土中氯离子的分布规律，同时它们受周围环境的影响较大，特别是环境湿度。

(2)当周围环境湿度改变时，混凝土构件表面的水分会最先发生相变，而这种相变引起的水分含量的变化会破坏原有材料孔隙内液相的平衡状态，促使构件内部水分不断迁移，体现为材料孔隙液相饱和度的增减。

(3)水分的迁移会使孔隙溶液中的氯离子在混凝土中不断进行传输，水分的蒸发与凝结则会带来孔隙溶液中的盐分浓度的升降，当超过氯离子溶解度时，便会引发孔隙中盐分结晶沉淀的现象，反之则会使孔隙中已有的固态盐分重新溶解。值得注意的是结晶物在生成过程中会给材料孔隙内部带来较大的结晶压力，这是混凝土性能退化的主要原因之一。