寒区高速公路混凝土护栏防腐涂层抗氯离子性能仿真研究

2022-12-07刘泽

材料保护 2022年6期

刘泽

(天津新亚太工程建设监理有限公司，天津 300251)

0 前言

每年冬季，我国北方的很多高速公路都会使用大量融雪剂清除路面两侧的积雪。氯盐融雪剂的大量使用会造成混凝土构件根部内部钢筋锈蚀或盐结晶体积膨胀等而提前损坏。混凝土涂层防护作为控制混凝土构件腐蚀，延长构件耐久性最有效、最经济的方法之一，在工程上受到广泛应用。因此，混凝土涂层的抗氯离子性能也成为工程单位关心的问题。从促进混凝土保护涂层产品发展、扩大工程应用的角度讲，开展混凝土防腐涂层抗氯离子性能的研究具有重要的学术意义及工程价值。

国内外学者对氯盐环境下混凝土构件涂层抗氯离子侵蚀性能进行过广泛的研究。曹菲菲[1]用试验的方法，研究了硅树脂涂层对混凝土试件的抗氯离子侵蚀性能的影响，结果显示氯离子扩散系数减少了80.84%，提高了混凝土的耐久性。谷坤鹏等[2]通过试验发现涂有环氧树脂涂层的混凝土试件电通量大幅降低,对混凝土试件的抗氯离子侵蚀性能提高效果显著。李伟华等[3]用试验的方法研究了不同氟碳涂层体系对海洋环境下混凝土抗氯性能的影响，结果显示溶剂型氟碳涂层更适用于该环境下的混凝土防护工程。黄微波等[4]用试验的方法研究了聚氨酯涂层、聚脲涂层对混凝土氯离子渗透性的影响，结果表明，2种涂层均可有效降低混凝土内的氯离子浓度。韩建军等[5]研究了通过在不同涂层中加入一定量改性纳米SiO2提高混凝土涂层抗氯离子性能的方法。目前国内外对涂层性能的研究主要采用试验的方法，通过制备不同配比、不同涂层的混凝土试件，进行高低温、冻融循环、抗氯离子性能等试验来获得涂层的使用性能，工作量很大。本工作以混凝土涂层为研究对象，以涂刷混凝土涂层到混凝土失效为研究区间，定义氯离子渗入混凝土腐蚀钢筋之前，混凝土层已出现剥落、松散的现象，便认为此时的涂层已失效。在此前提下借助COMSOL软件的多物理场耦合分析功能，模拟氯离子在涂层和混凝土内部的输运过程，建立了不同扩散系数和不同施工厚度的涂层性能分析模型，通过仿真技术研究了盐环境下混凝土涂层的使用性能。

1 融雪剂对混凝土涂层性能影响

目前国内常用的融雪剂主要分为氯盐型、非氯盐型、混合型3大类。氯盐型融雪剂的主要成分为氯盐，主要代表性物质包括氯化钠、氯化镁、氯化钙等。非氯盐型融雪剂包括无机盐、胺、醇、乙酸钾等[6]。非氯盐型融雪剂以美国DOT公司于20世纪80年代研制的醋酸钙镁盐为主要代表[7]。混合型融雪剂是将氯盐型和非氯盐型按照一定比例混合而成。3类融雪剂中，氯盐类融雪剂价格相对最便宜，同时也是是使用历史最长、使用规模最大的一类融雪剂[8]。

氯离子侵蚀是影响混凝土结构耐久性的因素之一[9]。位于寒区的高速公路，在冬季都要面临降雪后的路面除雪问题，大量氯盐融雪剂的使用，在实现快速恢复路面交通的同时，长时间堆积在路侧的掺杂着融雪剂的积雪，由于氯离子的不断扩散渗入，产生积累效应，导致路侧混凝土护栏根部的提前破坏。防腐涂层因其对氯离子的阻隔作用，可以有效提高混凝土护栏的使用性能，因而在工程防腐上广泛使用。但在氯盐环境下，涂层与混凝土之间的粘结力也会逐渐降低，严重时甚至导致涂层脱落，从而使涂层丧失保护能力。

因此涂层的工程性能和寿命在一定程度上就表征了混凝土护栏的使用寿命。正确的评价涂层在氯盐环境下的使用性能，是全面评价混凝土护栏在氯盐环境中的使用状况的前提。

2 混凝土防腐涂层抗氯离子性能分析

2.1 有限元模型

以2022年冬奥会交通保障的重点工程延崇高速公路上的混凝土护栏为研究对象，该混凝土护栏也是河北省高速公路采用的典型混凝土护栏模型，如图1所示，图中的深色边界为氯离子渗透面。

护栏最宽处为50.89 cm，高71.79 cm。混凝土护栏表面保护层厚度36 mm，护栏内钢筋纵筋直径16 mm，横筋直径8 mm，模型取长度为200 cm。对护栏采用自由四面体网格剖分方法处理，如图2所示。

由于在实际工程中，护栏靠近渗透面的部分及护栏根部常为氯盐融雪剂聚集处，为得到更加精确的计算结果，故对2部分进行了网格加密处理。模型共划分域单元384 254个，平均单元质量0.514 1，如图3所示。

2.2 模型参数的校对

混凝土为典型的多孔结构，选择COMSOL中的多孔介质稀物质传递物理场模块，模拟氯离子在混凝土内的输运过程。

考虑到氯离子在混凝土内的传输机理以及涂层在服役期间的性能变化的复杂性，为了更好地模拟涂层的性能变化过程，模型假设：

(1)大多数情况下，氯离子在混凝土内的输运以扩散机制为主，故本工作选取氯离子扩散为主要输运机制。

(2)氯离子在输运过程中性质稳定，不存在成分不均匀、化学反应等情况。

离子输运过程瞬态方程及氯离子在混凝土内的有效扩散系数De,j的方程用COMSOL内置方程进行描述。

氯离子在混凝土内的有效扩散系数De,j为：

(1)

DF,i为流体扩散系数，即氯离子在混凝土内的扩散系数，m2/s；τF,j为Bruggeman模型对孔隙率εp修正值，具体计算：

τF,j=εp-1/2

(2)

De,j中的重要参数流体扩散系数DF,i，本工作选用多因素法[10]模型进行确定：

DF,i=D28·F1(t)·F2(T)

(3)

D28为混凝土龄期为28 d时的氯离子扩散系数，m2/s，根据Life - 365程序，D28与混凝土的水灰比(W/C)有关：

D28=10(-12.06+2.4W/C)

(4)

根据Martin - Perez等[11]的论述：

F1(t)=(tref/t)m

(5)

t为混凝土龄期，d；tref为参考时间，d；m为衰减系数，根据Mangat等[12]的论述，m与水灰比有关：

m=3×(0.55-W/C)

(6)

根据阿伦尼斯定律，Martin - Perez等[11]和Kong等[13]的建议:

(7)

E为氯离子扩散过程中的活化能，kJ/mol。根据Xi等[14]的论述，当水灰比为0.4，0.5，0.6时，E取41.8，44.6，32.0 kJ/mol；R为通用气体常数，J/(K·mol)；Tref为确定D28时的参考温度，K；T是实际温度，K。

有涂层护栏的多孔介质稀物质传递中的边界条件有3种不同的类型，浓度边界条件适用于图1中的深色边界，其表达式为:

ci=c0,i

(8)

除深色边界外，图1中其他所有边界均为绝缘边界。

采用变边界模型中的对数时变模型[15]描述钢筋混凝土表面氯离子浓度参数c0,i的变化情况：

c0,i=c0+α·lnt

(9)

c0为标准时间(1 a或28 d)的表面氯化物浓度，mol/m3；α为恒定值0.306 1；t为混凝土龄期，d。

大多数情况下，混凝土护栏在涂刷了一定厚度的涂层后，能够明显减缓氯盐的渗透率，因此在本模型中选择了薄扩散阻隔边界条件来描述涂层的边界状态。

本研究中采用的混凝土护栏的结构参数如下：水灰比W/C=0.4，参考时间tref=28 d，衰减系数m=0.45，活化能E=41.8 kJ/mol，通用气体常数R=8.314 J/(K·mol)，参考温度Tref=296 K，实际温度T=293.15 K，混凝土孔隙率εp=4%，28 d的表面氯化物浓度c0=1.358 mol/m3，恒定值α=0.306 1。

2.3 不同涂层的氯离子扩散情况对比

将没有刷涂涂层的钢筋混凝土作为模型1，并选择目前市场上常见混凝土的4种不同涂层类型，根据表1中的模型2，取氯化聚氯乙烯涂层(CPVC)、氯化聚乙烯涂层(CPE)、氯丁乳液涂层(CR)、氯偏乳液涂层(PVDC)，对比分析了不同类别涂层对氯离子的阻挡作用。本工作选择了涂层的扩散系数表征不同涂层的防腐性能。根据钟世云等[16]的研究成果，4种涂层扩散系数为1.2×10-16，2.8×10-14，4.3×10-15，1.4×10-15m2/s。目前防腐工程中很少采用单层漆膜，大多采用多层涂刷，其防护性能明显优于单层。但具体的经济厚度往往只能凭借经验确定。本研究在参考了大量的工程数据后，发现大多数防腐工程的涂层厚度都在0～2 mm之间。因此本研究建立了0～2 mm厚度的涂层抗氯离子性能分析模型。如表1中的模型3所示。

表1 模型变化参数

模拟过程采用的瞬态计算，时间从混凝土养护成形的30～180 d，2 d为1个时间步长，图4～图11分别为涂刷氯化聚氯乙烯涂层(CPVC)、氯化聚乙烯涂层(CPE)、氯丁乳液涂层(CR)、氯偏乳液涂层(PVDC)混凝土护栏在30 d和180 d的氯离子分布情况。图4～图11从宏观上显示出涂刷4类涂层后的混凝土护栏内的氯离子分布的差别。可以看出在第30,180 d时，涂刷4类涂层的混凝土护栏内的氯离子浓度梯度几乎相同，且在混凝土护栏的根部均出现了不同程度的氯离子聚集现象。将涂刷4类涂层的混凝土护栏第30 d的氯离子分布情况进行比较可以看出，初始时刻的混凝土表面的氯离子浓度相差不大。但将涂刷4类涂层的混凝土护栏第180 d的氯离子分布情况进行比较可以明显看出，涂有扩散系数最大的CPE涂层的混凝土护栏内部已经出现了明显的氯离子渗透现象，且涂有4类涂层的混凝土护栏在护栏表面的氯离子浓度也已经有了明显的区别。从图上来看，涂层的扩散系数越小，涂有该涂层的护栏表面的氯离子浓度越小。

图4～图11直观地展示了护栏内部整体的氯离子浓度的分布情况，由于是整体展示，对于局部的浓度变化情况的细节展示有困难，而且展示出的天数有限，因此采用曲线图对浓度变化的细节进行展示。如图12～图15所示。

图12～图15表示涂刷扩散系数为2.8×10-14，4.3×10-15，1.4×10-15，1.2×10-16m2/s的混凝土涂层的护栏内部同一条线在第30，62，94，126，158 d的氯离子浓度变化情况。将图中涂刷扩散系数的涂层的混凝土护栏在同一天氯离子浓度进行对比可以发现，随着涂层扩散系数的降低，护栏内的氯离子浓度逐渐减少；而且相互之间的氯离子浓度差距很大，几乎成数量级向下递减，说明涂层的扩散系数对涂层的防护能力影响很大。

将涂刷有上述4种涂层的护栏内的氯离子浓度与表2中的模型1的计算结果，即图16所示的无涂层的护栏内的氯离子浓度进行对比，结果如表2所示。由表2发现氯离子浓度至少减少28%，75%，90%，98%，可以看出扩散系数为1.2×10-16m2/s的氯化聚氯乙烯涂层(CPVC)涂层效果更好。

2.4 混凝土涂层厚度对护栏内氯离子浓度的影响

影响涂层防腐性能的另一个主要因素就是涂层的厚度，这个问题也是工程施工中重点考虑的问题。

图17表示涂刷涂层厚度为0～2 mm之间的混凝土涂层的护栏内部一点在62，94，126 d的氯离子浓度变化情况。将图中涂刷不同厚度的涂层的混凝土护栏在同一天氯离子浓度进行对比可以发现，随着涂层厚度的增加，护栏内的氯离子浓度逐渐减小。这是由于涂层厚度的增加，导致氯离子在涂层渗透的时间更长，因而进入护栏内的氯离子浓度更小。

进一步观察图中曲线可以发现，随着氯丁乳液涂层(CR)厚度的增加，氯离子浓度减少的趋势逐渐变缓。图中的星号点为涂层的“最优点”，可以看出在氯丁乳液涂层(CR)厚度为0.738 9 mm以后，曲线已接近水平，说明此点后涂层厚度的增加对护栏内氯离子浓度的影响并不明显。结合图17中曲线，可以看出最佳氯丁乳液涂层(CR)厚度在0.305 8～0.738 9 mm之间。在实际工程中，混凝土防腐涂层单层涂刷的常见厚度在70 μm左右，结合图中曲线，最佳涂刷遍数在5～10遍。在延崇高速公路混凝土护栏上涂刷厚度为0.5 mm，涂刷遍数为6～7遍，经过3个冬季的使用，在积雪融化后，混凝土护栏根部未出现剥落、起皮等病害问题，涂层与混凝土的结合性能保持完好。这也证明了仿真结果的可靠性。