考虑骨料表面强化的再生混凝土内氯离子传输细观数值模拟

2022-03-14延永东刘甲琪徐鹏飞

硅酸盐通报 2022年2期

延永东,刘甲琪,徐鹏飞，王鑫

(1.江苏大学土木工程与力学学院，镇江 212013；2.上海中森建筑与工程设计顾问有限公司，上海 200062)

0 引言

将废弃混凝土处理后作为粗骨料全部或部分替代天然骨料所制备的混凝土即为再生混凝土(recycled aggregate concrete， RAC)[1]。使用再生混凝土既可以减少环境污染，又能降低天然骨料的开采率[2]，符合可持续发展的理念。

然而已有研究表明，再生骨料表面附着的硬化砂浆使再生混凝土内的骨料-砂浆界面过渡区比传统混凝土更为复杂，从而对再生混凝土的力学性能和耐久性产生不利影响[3]，限制了其在不利环境中的应用，为此国内外学者采用不同方法对再生混凝土的性能进行了提升，如加热研磨法[4]、机械整形法[5]、化学处理法[6]、二氧化碳强化法[7]、高分子聚合物强化法[8-9]、微生物矿化法[10]等。近些年，纳米材料也逐渐被应用于混凝土来改善其性能。李文贵等[11]研究了添加不同纳米材料对再生骨料的作用，发现在再生混凝土中添加纳米硅材料可改善其界面过渡区的微观结构，提升抗压强度。林腾玮等[12]发现与未作处理的再生混凝土相比，SiO2改性再生混凝土的强度及抗氯离子渗透性均明显提升。Hosseini等[13]发现，纳米SiO2在质量分数为3%时强化再生骨料性能最优，可提升全再生混凝土的抗压和抗氯离子渗透性能。肖建庄等[14]发现，纳米SiO2可以提高再生混凝土的抗压、抗折和劈裂抗拉强度。

国内外学者进行了氯离子在再生混凝土内的侵蚀试验，取得了一些基本结论，但不同试验所用材料不统一导致试验结果离散性较大，且界面过渡区取样困难，无法揭示混凝土内局部区域的氯离子浓度分布。数值模拟方法成本小，可考虑因素多，可计算周期长，尤其能显示新旧界面区域的氯离子传输特征，因而可将其运用于耐久性研究。国内外学者从细观层面上研究再生混凝土的力学性能和耐久性时，大多采用三相[15]、四相[16]和五相[17-18]等数值模型，而对表面强化后的再生骨料研究较少。

本文考虑纳米强化再生混凝土的多相非均匀组成和骨料随机分布，建立了相应的细观模型，然后进行了氯离子在强化再生混凝土中的传输模拟，并将模拟结果与试验结果进行了对比。在此基础上进一步分析了纳米强化层的相对氯离子扩散系数及保护层厚度等参数对表面强化再生混凝土内氯离子传输的影响，以期为表面强化再生混凝土在实际工程中的应用提供指导。

1 二维细观模型

图1 数值模拟流程Fig.1 Flow chart of numerical simulation

为了简化分析过程，本文充分利用现有软件开展数值模拟，总体思路为：考虑再生骨料表面砂浆层厚度及骨料-砂浆界面过渡区厚度，利用Matlab计算生成再生骨料随机细观模型，然后将此几何模型用CAD描绘并输出为dxf格式，然后将此模型导入COMSOL中，选择稀物质传递物理场(基于Fick第二定律)进行研究。数值模拟流程如图1所示。其中较为关键的有：再生骨料表面砂浆层与骨料-砂浆界面过渡区厚度及氯离子扩散系数的确定，再生混凝土随机细观模型的生成等。

1.1 再生骨料级配

骨料级配是决定混凝土细观模型的重要参数，对混凝土性能有重要影响。研究表明，混凝土内的骨料分布较为符合Fuller级配，Walraven等[19]将骨料Fuller级配曲线转化为不同骨料在试件截面内的出现概率来实现二维模拟。将此理论应用于再生混凝土，假设骨料截面均为圆形，则任意截面内骨料直径D

(1)

式中：Pk为骨料体积占混凝土总体积的百分数；D0为孔筛直径；Dmax为骨料最大粒径。由此可得到模型圆形骨料分布情况。

1.2 再生骨料旧砂浆层及界面过渡区厚度

不同来源的再生骨料表面包裹的旧砂浆层的厚度也有所不同，已有文献[20-22]表明再生骨料表面附着大约40.4%～44.8%(质量分数)的旧砂浆。本文采用式(2)表示旧砂浆与再生骨料的面积之比：

(2)

旧砂浆层的等效厚度h如式(3)所示[18]：

(3)

式中：a为骨料粒径。

已有文献[23]指出再生混凝土新旧界面过渡区呈非均匀分布，且厚度在5～50 μm之间，为方便模拟，再生混凝土界面过渡区的厚度统一取50 μm。

1.3 骨料位置判断

通过Matlab软件中的Rand函数限制截面边界，Rand函数确定骨料圆心坐标(xi，yi)，如式(4)所示：

xi=(W-2ri)Rand(x)+riyi=(H-2ri)Rand(y)+ri

(4)

式中：W为试件宽度；H为试件高度；ri为第i个骨料的半径；Rand(x)和Rand(y)取值范围为(0,1)。

实际混凝土内骨料之间不会出现重叠，为了避免数值模拟出现此情形，采用式(5)对各骨料的位置进行判断。

(5)

式中：(xj，yj)为第j个骨料的圆心坐标；rj为第j个骨料的半径；η为骨料影响范围系数，通常取1.1或者1.05。若满足式(5)，则骨料有重叠，需重新计算圆心位置。若不满足，则说明骨料之间无重叠，由此输出骨料圆心及半径。图2(a)为混凝土内再生骨料模型示例，从内到外依次为天然骨料、旧界面过渡区(old ITZ)、旧砂浆、纳米覆盖层、新界面过渡区(new ITZ)和新砂浆。图2(b)为依据图2(a)建立的100 mm×100 mm纳米强化再生混凝土二维随机几何模型。

图2 再生混凝土二维随机骨料细观模型Fig.2 Two-dimensional mesoscopic model of RAC with random aggregate

1.4 氯离子传输模型

氯离子在混凝土内的传输方式有扩散、对流、电迁移等。对一般海洋环境下服役的混凝土结构来说，扩散是氯离子侵入混凝土的主要方式。已有研究表明，氯离子在混凝土内的一维扩散可用式(6)所示的Fick第二定律表示：

(6)

实际计算时需确定混凝土的表面氯离子浓度、表观氯离子扩散系数等参数。根据已有研究[23]，本文取表面氯离子浓度4.19%(质量分数)，即259.08 mol/m3，不同部位的表观氯离子扩散系数的上下限及实际取值如表1所示[23]。

表1 RAC内不同部位的表观氯离子扩散系数[23]Table 1 Apparent chloride ion diffusion coefficients of different components in RAC[23]

另外，受水泥持续水化的影响，混凝土内的氯离子扩散系数会随时间发生变化，为此采取公式(7)计算氯离子扩散系数D0(t)[24]：

(7)

式中：D0(t0)为t0时刻氯离子在混凝土内的扩散系数；t0为参考时间，一般取28 d；n为时间衰减系数(本文取0.75)。

1.5 单元划分

数值模拟需进行有限元分析，本文采用Delaunay算法[25]，以自由三角形单元为基础，共生成300 277个单元，最大单元为10 mm，最小单元为0.045 mm，其中界面过渡区网格较为密集，砂浆处网格较为稀疏。二维细观再生混凝土单元如图3所示，符合界面过渡区结构复杂的特征。

图3 二维细观再生混凝土单元Fig.3 Elements of two-dimensional mesoscopic model of RAC

2 细观模拟结果分析

2.1 试验验证

为验证上述细观模型的正确性，设计了尺寸为100 mm×150 mm×365 mm的纳米SiO2强化再生混凝土试件[26]。考虑纳米SiO2的团聚效应，用超声分散仪超声乳化减水剂与纳米材料的混合浆液(掺量分别为水泥质量的1%和0.2%)，然后加入水泥得到水灰比为0.5的强化浆液，将再生骨料浸泡于强化浆液中30 min后取出晾干，再作为粗骨料制成纳米SiO2强化再生混凝土。各试件编号及对应的混凝土配合比如表2所示，其中RAC-0为普通再生混凝土，RAC-SiO2-0.2、RAC-SiO2-0.4、RAC-SiO2-0.6分别为采用质量分数0.2%、0.4%、0.6%纳米SiO2溶液强化的再生混凝土，每种类型各3个试块。标准养护28 d后，留浇筑侧边的150 mm×365 mm为暴露表面，用环氧树脂涂抹其余5个面，如图4所示，将其完全浸泡在质量分数为5%的NaCl溶液中。360 d后取出试件晒干，沿暴露表面向内每隔5 mm用钻孔机取一次粉样，同一深度取3个粉样进行混合，然后用100 ℃烘箱烘干取得的粉样，称取每个深度的粉样1.5 g溶于10 mL蒸馏水，搅拌均匀后静置24 h，最后采用RCT氯离子含量检测仪测试溶液的电位，结合预先标定结果将所测电位转化为每个样品的自由氯离子浓度。

试验得到的混凝土不同深度处的氯离子浓度与数值模拟结果如图5所示。从图中可以看出：(1)纳米强化再生骨料混凝土表面的氯离子浓度低于普通再生混凝土，说明纳米强化再生粗骨料可以改善骨料的细观结构，降低再生混凝土内的氯离子浓度；(2)不同浓度的纳米SiO2强化再生混凝土在相同深度处的氯离子浓度有一定的差异，其中纳米SiO2浓度越高，氯离子浓度越小，说明再生混凝土的抗氯离子侵蚀能力随纳米SiO2浓度增大而有所增强；(3)除骨料处两者的氯离子浓度差异较大外，其余各处的氯离子模拟结果与试验数据相近。模拟结果中骨料位置处氯离子浓度为0是因为模型中未考虑骨料的氯离子渗透，因此不考虑骨料处的扩散系数[25]；而骨料周围氯离子的浓度略有增加是因为此处的界面过渡区氯离子扩散系数较大，导致氯离子侵蚀较快，与实际情形较为符合。

图4 氯离子侵蚀面Fig.4 Chloride ion erosion surface

图5 不同深度处氯离子浓度模拟值与试验值对比Fig.5 Comparison of simulated and experimental values of chloride ion concentration at different depths

2.2 再生混凝土中氯离子浓度分布

再生混凝土在宏观尺度和细观尺度下的氯离子分布情况如图6所示。可以看出，氯离子在再生混凝土中的分布沿深度方向呈下降趋势，与试验结果相符。由于观察角度不同，再生混凝土中氯离子浓度等值线也不同，在宏观角度下基本为水平直线，而在细观角度下为上下浮动的波浪线。再生骨料细观模型中粗骨料附近的氯离子浓度较高，这是因为再生骨料周围的新旧砂浆间存在多重界面过渡区，加速了氯离子的侵蚀。

图6 侵蚀龄期1 000 d再生混凝土中氯离子浓度分布Fig.6 Concentration distribution of chloride ion in RAC with erosion at the age of 1 000 d

3 再生混凝土耐久性寿命预测

3.1 寿命预测参数

图7 不同保护层厚度下钢筋表面氯离子浓度随时间的变化Fig.7 Change of chloride ion concentration of reinforcement surface with time under different thicknesses of protective coating

混凝土保护层厚度、表面氯离子浓度、表观氯离子扩散系数和钢筋产生锈蚀的自由氯离子浓度临界值等参数对混凝土结构的耐久性寿命有一定影响[25,27]。为此，本文分别采用不同的取值进行分析。其中：混凝土保护层厚度c分别取50 mm、60 mm、65 mm；研究[28-29]表明，混凝土中引起钢筋表面脱钝的临界氯离子浓度为胶凝材料总量的0.1%～0.6%(质量分数)，本文参考郭瑞琦等[30]的研究，当水灰比为0.54时，临界氯离子浓度取胶凝材料总量的0.2%(质量分数)，即自由氯离子浓度临界值Ccr,f为12.37 mol/m3。

3.2 保护层厚度对再生混凝土耐久性寿命的影响

图7显示了不同保护层厚度下钢筋表面氯离子浓度随时间的变化。从图中可以看出，当侵蚀龄期相同时，保护层厚度越大，钢筋位置处的氯离子浓度越低。本文取钢筋脱钝时的Ccr,f为12.37 mol/m3，则保护层厚度c分别为50 mm、60 mm和65 mm时对应的钢筋开始锈蚀时间t01、t02和t03分别为6.38年、11.16年和26.01年，说明增大保护层厚度可以有效延长纳米强化再生混凝土耐久性寿命，但不能达到一般海洋环境下的混凝土结构预期寿命，因而纳米强化再生混凝土不宜使用在海洋环境下的重大工程中。

3.3 纳米包裹层氯离子扩散系数对再生混凝土耐久性寿命的影响

以纳米包裹层的氯离子扩散系数Dn与新砂浆的扩散系数Dnew mortar(Dnew mortar=6.0×10-12m2/s)之比k为主要参数，分析其对不同时刻的钢筋表面的氯离子浓度的影响，结果如图8所示。当保护层厚度c为60 mm时，纳米包裹层相对氯离子扩散系数k为1、20、40、60、80时对应的钢筋开始锈蚀时间分别为12.03年、9.50年、8.20年、7.49年和6.93年，说明钢筋表面氯离子浓度到达临界值的时间随纳米包裹层氯离子扩散系数的增大而减小，由此缩短了再生混凝土结构的使用寿命，因此实际工程中可通过降低纳米包裹层的氯离子扩散系数来提高纳米强化再生混凝土在氯盐环境中的耐久性。

预测再生混凝土结构耐久性寿命的核心是耐久性极限状态，本文以钢筋表面氯离子浓度达到脱钝时的临界摩尔浓度(12.37 mol/m3)作为再生混凝土耐久性失效极限状态的标准[31]，其极限状态函数z(t)如式(8)所示：

z(t)=Ccr,f-Cf(c,t)

(8)

式中：Ccr,f为钢筋脱钝时的自由氯离子浓度临界值；c为保护层厚度，mm；Cf(c,t)为钢筋表面在t时刻的自由氯离子浓度。z(t)≤0时，钢筋开始锈蚀，再生混凝土达到耐久性极限状态。

以混凝土保护层厚度c、纳米包裹层的相对扩散系数k=Dn/Dnew mortar与时间t为三维坐标轴，拟合得到的再生混凝土耐久性极限状态的函数F(t)如式(9)所示：

F(t)=0.155 1c2+0.000 8k2-0.01ck-15.22c+0.43k-379.8

(9)

耐久性极限状态时间拟合结果如图9所示，结果的相关系数为0.994，残差平方和为3.865，证明此拟合模型基本合理。

图8 纳米包裹层相对氯离子扩散系数对钢筋表面氯离子浓度的影响Fig.8 Effect of relative chloride ion diffusion coefficient of nano-coating layer on chloride ion concentration of reinforcement surface