氯离子在带接缝混凝土内的传输规律研究

延永东，司有栋，陆春华，高生宇，刘雪扬

(1. 江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江 212013； 2. 上海宝冶集团有限公司，上海 201941)

0 引 言

桥梁工程的混凝土在施工中常采用分段浇筑[1]或预制拼接[2]等方式，造成其先浇段和后浇段之间产生混凝土接缝[3-4]。由于接缝部位细观结构与混凝土基体不同[5]，因此可能会对其力学性能和耐久性能产生影响。

对氯盐环境中服役的混凝土结构来说，抗氯离子侵蚀性能对其耐久性寿命有重要影响[6]。已有研究表明接缝是沿海等恶劣环境下服役的混凝土结构的最薄弱部位。于东超[7]对中国冀北地区预应力混凝土桥梁梁体病害的调研表明，桥梁预制节段梁体接缝为混凝土桥梁最早出现病害的部位，也是混凝土桥梁结构中产生病害最严重的部位。Barman等[8]指出，接缝性能越高，混凝土的寿命也越长，且接缝性能主要与混凝土强度及表面光滑度有关。罗小雅[9]研究了接缝处的粗糙程度对界面区氯离子传输特性的影响，发现接缝部位凿毛深度过大时会使界面处骨料松动，从而降低带接缝混凝土的抗氯盐侵蚀性能。李国平等[10-11]对分段成型的桥梁混凝土结构中常用的直接湿接缝、凿毛湿接缝、干接缝和环氧胶接缝进行了氯离子侵蚀、碳化、冻融及接缝部位钢筋锈蚀等耐久性试验，结果表明：不同类型接缝的耐久性能虽有差别，但都是混凝土结构的薄弱部位，接缝处的水泥砂浆基体或施工损伤等因素是其耐久性能下降的主要因素。

目前，中国《混凝土结构耐久性设计标准》[12]尚未对接缝部位的耐久性给出特殊的预防措施，国内外学者尽管对带接缝混凝土的耐久性进行了一些研究，但考虑的材料类型较传统，也缺少系统的定量比较。为得出实际施工过程中现代混凝土结构接缝类型和原材料对氯离子在混凝土内传输规律的影响，本文研究了目前中国比较常见的接缝类型(凿毛接缝、直接湿接缝、界面剂接缝)下的混凝土构件抗氯离子侵蚀性能，以期为带接缝混凝土结构的耐久性设计和维护提供参考依据。同时为尽量减少混凝土内的水泥用量，考虑用石灰石和机制砂生产过程中的附加品石灰石粉来替代部分水泥，以减少环境污染和资源浪费，也为实现中国的碳达峰等目标提供新的思路。

1 试件设计与制作

1.1 试验材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用细度模数为2.7的天然河砂；粗骨料采用粒径为5～10 mm的连续级配碎石；减水剂采用上海臣启化工科技有限公司生产的聚羧酸减水剂；拌合水采用镇江市自来水。试验同时考虑石灰石粉替代水泥的影响，在混凝土内掺入一定量的石灰石粉，石灰石粉由拓亿新材料(广州)有限公司制作，其中碳酸钙含量(质量分数)α≥99%，细度为800目。

1.2 混凝土配合比设计

试验采用水胶比为0.4的混凝土，其配合比如表1所示[13]，其中，C代表基准混凝土，LS1、LS2和LS3分别代表石灰石粉取代10%、20%、30%质量水泥的混凝土。按照规范进行浇筑和养护，试验测得的各配合比下混凝土7、28 d立方体抗压强度如表1所示。可以看出，除掺有10%石灰石粉的混凝土强度比基准混凝土稍有提高外，其他配合比混凝土的强度均有所减小，且掺量越大，强度损失也越大。由此说明当石灰石粉掺量过多时，会对混凝土强度产生不利影响。

表1 混凝土配合比及立方体抗压强度Table 1 Mix proportion and cubic compressive strength of concrete

1.3 带接缝混凝土试件制备及养护

带接缝混凝土试件的制备方法为：首先按照基准混凝土配合比，将预制部分浇筑完成；之后对预制部分的接缝面(浇筑侧面)进行处理，设计凿毛接缝、直接湿接缝以及界面剂接缝3种接缝形式，如图1所示；最后，将预制部分放入300 mm×150 mm×150 mm模具一侧，在另一侧浇筑掺石灰石粉混凝 土，如图2所示。24 h后拆模，将浇筑完成的混凝土试件放进水池中进行养护。

本研究共浇筑5组混凝土试件，试件编号分别为C-LS1-Z、C-LS2-Z、C-LS3-Z、C-LS1-D、C-LS1-J，其中，C-LS代表接缝两侧混凝土类型，Z、D、J分别代表凿毛接缝、直接湿接缝和界面剂接缝。

1.4 氯离子侵蚀试验及检测

带接缝混凝土试件养护28 d后取出，除留其中一个150 mm×300 mm浇筑侧面为试件侵蚀面外，其余表面均使用环氧树脂进行封闭处理；然后将试件放入10%浓度的NaCl溶液中进行浸泡。达到侵蚀龄期(270 d)后，将试件取出自然风干2 d后进行取样检测，具体方法为：①根据图3所示位置在不同横截面上取样(接缝处及距接缝不同位置)，每一横截面取3个取样点，取样时沿试件侵蚀面向里用直径为6 mm的钻头垂直钻孔取粉，每5 mm取一次，每个孔共钻取10次，将同一截面相同深度的粉样进行混合并装入自封袋；②取样结束后，用筛子选出粒径小于0.63 mm的粉样，将其置于100 ℃烘箱中烘干，然后每组取1.5 g粉样其溶于10 mL蒸馏水中并充分振动，静置24 h，使自由氯离子充分溶解；③使用浸润的RCT电极测试各样品的溶液电位，根据预先标定结果换算为自由氯离子浓度。

2 结果与分析

2.1 不同类型接缝下混凝土氯离子传输规律分析

2.1.1 氯离子浓度横向分布特征

检测得到的带接缝混凝土试件中的氯离子浓度(质量分数)横向分布如图4所示。可以看出：①对每一试件，同一深度接缝处的氯离子浓度均高于其他部位，由此说明接缝是混凝土抵抗氯离子侵蚀的最薄弱位置，对氯盐环境下的混凝土结构耐久性有不利影响；②同一深度处的氯离子浓度在距接缝0～20 mm范围内，随距接缝距离的增加快速减小；距接缝20～50 mm范围内稍有减小；距接缝50 mm之外则基本保持一致，氯离子浓度在距接缝50 mm范围内近似呈倒V字形分布。这说明受接缝处高浓度影响，氯离子不仅会沿深度方向扩散，同时还会向接缝两侧的混凝土内传输。

为进一步分析接缝类型和石灰石粉掺量对氯离子横向分布特征的影响，将各试件不同深度处的氯离子浓度取平均值，得到距接缝不同位置处的平均氯离子浓度,如图5、6所示。可以看出：①距接缝距离相同时，掺石灰石粉混凝土一侧的氯离子浓度均大于基准混凝土一侧，这说明掺入石灰石粉降低了混凝土的抗氯离子侵蚀能力；②当石灰石粉掺量(质量分数，下同)为30%时，掺石灰石粉混凝土一侧的氯离子浓度明显高于掺量为10%和20%时的氯离子浓度，说明石灰石粉掺量过大时对混凝土结构耐久性影响较大，这与王德辉等[14]的研究结果一致；③在接缝位置处，各试件的平均氯离子浓度由大到小依次为直接湿接缝试件(C-LS1-D)、凿毛接缝试件(C-LS1-Z)、界面剂接缝试件(C-LS1-J)，其比值为1∶0.931∶0.897；在掺有石灰石粉一侧也呈现类似规律，说明相比凿毛接缝和界面剂处理接缝，直接湿接缝处渗入的氯离子最多，其抗氯离子侵蚀能力最弱。

2.1.2 接缝处氯离子浓度分布

不同石灰石粉掺量、接缝类型对接缝处氯离子浓度分布的影响如图7、8所示。可以看出，在距混凝土表面0～10 mm内，石灰石粉掺量为30%时接缝处混凝土的氯离子浓度大于石灰石粉掺量为10%与20%时的值，直接湿接缝处的氯离子浓度也明显高于凿毛接缝和界面剂接缝处的值。当深度大于20 mm时，距表面距离较远处混凝土内的氯离子浓度较小，导致不同石灰石粉掺量及不同接缝处理方式下的混凝土氯离子浓度差别不大。

2.2 表观氯离子扩散系数分析

氯盐浸泡环境下混凝土中氯离子主要是以浓度梯度驱动的扩散方式传输，可利用Fick第二定律描述其扩散过程。本文试验条件下，氯离子在混凝土内总体为一维侵蚀。另外，氯离子在混凝土内以自由氯离子和结合氯离子的形式并存，其扩散方程为[15]

(1)

式中：D为混凝土内氯离子扩散系数；Ct为距混凝土侵蚀表面x处的总氯离子浓度，Ct=Cf+Cb，Cf为距混凝土侵蚀表面x处的自由氯离子浓度，Cb为距混凝土侵蚀表面x处的结合氯离子浓度；t为扩散时间。

用R表示氯离子与混凝土的结合能力[15]，R=Cf/Ct。本文分别用萃取液和蒸馏水溶解混凝土粉样，测试了几组同一位置的氯离子浓度，得出总氯离子浓度和自由氯离子浓度后计算得到R=0.85。

在本文试验条件下，方程式(1)的初始条件为C(x>0,t=0)=C0，边界条件为C(x=0,t>0)=Cs，则可得式(1)的简化解析解为

(2)

根据式(2)，对浸泡270 d后的带接缝混凝土各截面的自由氯离子浓度进行拟合，可得到混凝土表观氯离子扩散系数Da。图9和图10分别为不同石灰石粉掺量和不同接缝类型的带接缝混凝土沿纵向的氯离子扩散系数。可以看出：①接缝处的表观氯离子扩散系数明显大于其他位置处的值，在距接缝0～50 mm范围内，混凝土表观氯离子扩散系数基本随距接缝距离增大而减小；②接缝处直接湿接缝(C-LS1-D)、凿毛接缝(C-LS1-Z)与界面剂接缝(C-LS1-J)三者的扩散系数分别为6.35×10-12、6.11×10-12、5.98×10-12m2·s-1，分别为基体混凝土的1.95倍、1.87倍、1.83倍(基体混凝土氯离子扩散系数取值为距接缝90 mm处3种接缝类型扩散系数的均值)，说明直接湿接缝处混凝土抗氯离子侵蚀性能最弱；③掺石灰石粉一侧混凝土的表观氯离子扩散系数明显大于普通混凝土，石灰石粉掺量分别为10%、20%、30%时，混凝土表观氯离子扩散系数分别比不掺石灰石粉的混凝土增大9.8%、11.8%、65.8%，可见石灰石粉掺量为30%时混凝土表观氯离子扩散系数增大最多。

3 数值模拟与分析

与完整混凝土相比，带接缝混凝土的氯离子传输机理比较复杂，导致接缝及其附近的氯离子浓度分布较难用理论公式计算，为此有必要采用数值模拟进行分析。

3.1 带接缝构件二维模型

为与试验结果进行对比，采用二维实体带接缝模型，其尺寸为150 mm×300 mm，中间有一条接缝，已有研究表明[16]，当混凝土的集料体积分数在40%～70%之间变化时，模型砂浆中浆体厚度在0.02～2 mm到0.006～0.5 mm之间变化。因此，结合本文试验，模型的接缝区两侧厚度各取1 mm。

模型接缝两侧材料选用混凝土，接缝处选用水泥砂浆；物理场选取稀物质传递，其方程与Fick第二定律一致。除留300 mm厚的上表面为氯离子浓度边界外，其余表面均为无通量边界。实测混凝土内部氯离子初始浓度为0.01%。单元采用自由三角形，共计1 444个单元，其中距接缝较近处单元尺寸较小，最小为0.09 mm，距接缝较远处单元尺寸较大，最大为20.2 mm，单元划分如图11所示。分析步长为10 d，求解总时长为270 d。

3.2 数值模拟参数

3.2.1 表面氯离子浓度

模型暴露表面需定义表面氯离子浓度，根据试验得到的距接缝不同距离处的氯离子浓度随深度分布，利用式(2)进行拟合，可得到距接缝不同位置处的表面氯离子浓度。如在C-LS1-D中，距接缝距离s在-20、0、20 mm三个位置处的取值分别为0.477%、0.651%和0.423%(取值不同是因为材料不一致)。

3.2.2 表观氯离子扩散系数

模型的三个区域(接缝区、接缝区左侧、接缝区右侧)材料不同，因此需确定不同的表观氯离子扩散系数。考虑到接缝区主要为水泥砂浆[9]，与传统的骨料-砂浆界面过渡区比较相似，因此参考骨料-砂浆界面过渡区氯离子扩散系数的取值(在1.3×10-12～145.8×10-12m2·s-1之间)[17]，本模型中接缝区的表观氯离子扩散系数取45×10-12m2·s-1；接缝区左侧及右侧的表观氯离子扩散系数取值如下：通过RCM试验[18]得到对应配合比混凝土的28 d氯离子扩散系数(图12)，然后采用式(3)[19-20]计算不同龄期的氯离子扩散系数。

(3)

式中：D(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。

3.3 模拟结果

为了验证本文提出的带接缝混凝土试件数值模型的可靠性，选取部分试件的氯离子浓度分布进行对比。试验及模拟得到的距接缝-20、0、20 mm三个位置处的氯离子浓度分布如图13所示。可以看出，各位置处不同深度的氯离子浓度试验结果与数值模拟结果较为接近，说明模拟计算时，需考虑接缝的特殊性，在接缝处需采用不同的表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数，由此可以得出更为准确的结果。

4 结语

(1)带接缝混凝土内同一深度的氯离子浓度均呈倒V字形分布，即接缝处氯离子浓度最大，然后在距接缝一定影响范围内向接缝两侧逐渐减小。侵蚀时间为270 d时，同一深度处的氯离子浓度在距接缝0～20 mm范围内，随距接缝距离的增加快速减小；距接缝20～50 mm范围内稍有减小；距接缝50 mm之外则基本保持不变。

(2)三种接缝处的氯离子浓度和表观氯离子扩散系数由大到小依次为：直湿接缝、凿毛湿接缝、界面剂接缝。说明在接缝处采取一定的措施有助于提高其抗氯离子侵蚀性能。

(3)同一接缝处理后，石灰石粉掺量越大，接缝处氯离子浓度越大；石灰石粉的掺入增大了混凝土氯离子扩散系数，当石灰石粉掺量为20%以下时，氯离子扩散系数稍有增加，但当石灰石粉掺量为30%时，混凝土氯离子扩散系数急剧增大。

(4)考虑接缝处的特殊性，数值模拟时在接缝处采用不同的表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数可以得出更为准确的结果。