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薛文等： 干湿循环下氯离子在混凝土中的传输 7 干湿循环下氯离子在混凝土中的传输 薛文 ， 王卫仑 ， 龚顺风 ， 金伟良 ( 1 浙江大 学建筑工程学院 。 杭州3 1 0 0 5 8； 2 深期l 市土木工程耐久性重点实验室、 深圳大学土木工程学 院。 广 东深圳5 1 8 0 6 0) 【 摘要】 结合水分在混凝土中的渗流模型， 建立在浓度梯度和孔隙液饱和度梯度的耦合作用下的氯离子 在混凝土中的传输模型， 并采用真实海洋环境中干湿循环作用下的暴露试验数据验证了模型的准确性和适用性。 【 关键词】 干湿循环作用 ； 非饱和混凝土； 氯离子扩散 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 0 7 0 3 在氯盐侵蚀环境中， 干湿循环区域的混凝土往往是整 体结构中钢筋锈蚀最严重的部位。由于干湿循环的作用， 混凝土内部存在氯离子浓度场梯度、 孔隙液饱和场梯度和 温度场梯度， 氯离子在扩散和对流等多种复杂机制的耦合 作用下以较快的速度向混凝土内部渗透， 因此 ， 干湿循环作 用下混凝土中的氯离子传输问题实质上是氯离子随孔隙液 在非饱和多孔介质中的传输问题， 对流和扩散是其运动的 主要方式 。 研究者为求形式上的简化 ， 倾向于用 F i c k第二定律及 其恒定边界条件的解析解来计算干湿循环作用下混凝土中 的氯离子传输问题。但采用该理论描述离子运动特征的前 提是孔隙液饱和， 即适用于静态溶液中由于氯离子浓度梯 度造成的离子扩散。当孔隙液在干湿循环的作用下处于非 饱和状态时， 直接采用 F i c k 第二定律分析检测数据时， 分析 结果与试验数据的相关性并不理想 J 。 1 理论分析 1 1 水分在混凝土内部的渗流模型 氯离子在混凝土内部通过孔隙液 中水分子的媒介作用 进行传输。为讨论干湿循环作用下氯离子在混凝土内部的 运动特征， 须首先讨论孔隙水的渗流模型。 干湿循环作用下， 水分在孔隙压力梯度的驱动下在混 凝土内部传输。根据 D a r c y 定律及 F i e k定律， 混凝土内部水 分的渗流量可表示为 】 ： L =一D ( s ) g r a d s ( 1 ) 水分包括气体和液体两种状态， 水力扩散系数包括两 种状态 的贡献 J ： D ( s )=D I ( s )+D ( s )= ( +K ) a p O s ( 2 ) 2 其 中 ，K i = ( f rd V ) = p o b Do 为确定水分扩散系数， 须研究孔隙压力P和孔隙饱和度 s 间的关系 。 1 2 孔隙压力P与孔隙水饱和度 s 关系的确定 干湿循环作用时， 孔隙水饱和度经时变化， 水分运动可 分为渗入和蒸发两个过程。 其中， 孔隙压力 P与孔隙水饱和 度 s 的关系可表示为： 渗入过程： ：1 一e x p ( 2 B C r c o ( 0 ) ) ( 3 ) 干燥过程： S d： 1一e x p ( 2 B C T e o s ( 8 ) ) 1 一I n ( 1- e x n ( 2 B C r c o ( e ) ) ) ( 4 ) 将( 3 ) 式、 ( 4 ) 式的反函数代入( 2 ) 式 ， 得到以孔隙饱和 度为 自变量的水分扩散系数计算函数。 将干湿循环过程划 分为润湿阶段的水分渗入和干燥阶段的水分蒸发子过程： 润湿 阶段 ： D 删( s ) =Dh s )+D佴( s )= ( h+ ) a p a s ( 5 ) 其中， Kl 。 1-I n ( ) ( 1一 ) 基金项目】 深圳市土木工程重点实验室资助项目( S Z D C C E 0 9 0 2 ) k = 丽p o d# D o 1 2 t ( ) ( ， ) +Z ( r 一 ) 、 ( e x p ( 詈 一 丝 呈 ! ( 旦 ) ( 1一s ) I n ( 1一s ) 十 燥 阶 段 ： D岫 I ( J )=D】d ( J )+ d ( J )= ( +K , j ) a p a s ( 6 ) 其 中 ， Kl d 5 也 o t P n( 1一( 1一l n ( e x p ( 1 a mb e r t w ( )+1 )+1 ) e x p ( 1 a mb e r t w( - s )十1 )十1 ) = po d p Do 1一 s ( ) 1+Z 2 ( r mt ) ex ： f 墨 璺 塑( 旦 2 、p ) 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 6期 ( 总第 1 4 4期 ) 亚一 O s 墨 ! ( 2： ! ! r t 二 s e ) e x p ( 1 a m b e a w ( 一s e )+1 ) s。 I n ( 一e x p ( 1 a m b e n w ( 一s e )+1 )+1 ) ( 1 a mb e w ( 一s e )+1 ) ( 一e x p ( 1 a mb e n w ( 一s e )+1 )+1 ) W =l a m b e n w ( ) 是 方程 w e x p ( W )= 的解 J 。 1 3 氯离子在混凝土中的传输模型 氯离子在孔隙非饱和状态下的传输过程可以用对流扩 散方程描述 J ： J c l =一D 。 。 g r a d ( C )+C J l ( 7 ) J l=一 ( s ) g r a d s ， 为液态水分流速( m s ) ； ( s )是各 向同性的渗流系 数， 取D ( s )=K ( s ) o p O s ， 则渗流速度可以表示为扩散格式 J 。=一D g r a d s _由于结合氯离子质量守恒， 可以得到： 渗入过程 ： = d i v ( D s g r a d ( c )+c D g r a d ( s ) ( 8 ) U 干燥 过程 ： =d i v ( D s g r a d ( c )+C DlD d g r a d ( s ) ( 9 ) U 式中， D 为 水 分 在 渗入 过 程 中 的水 力 扩 散 系数 ( m s ) ； D 为水分在渗出过程中的水力扩散系数( ) 。 方程( 8 ) 、 ( 9 )的初始条件和边界条件取决于混凝土结 构所处的环境作用。 在干湿循环过程中， 湿润过程的边界条 件相对简单， 在接触氯离子溶液后， 可以认为混凝土表面孔 隙中孔隙水达到饱和， 而孔隙水中氯离子浓度与环境水相 同； 干燥过程中， 表层混凝土中孔隙水饱和度和氯离子浓度 变化与取决于混凝土表面水分蒸发率。 2 试 验研究 2 1 混凝 土材 料及 试件制作 制作试件用 的混凝土原材料产地均为 日本。水灰 比 5 5 5 ， 抗压强度设计值 2 8 MP a 。配合 比表 1 所示。试件为 直径 1 0 0 mm， 高2 0 0 ra m的圆柱体试件。浇筑成型后所有试 件在平均气温为 2 3 C、 平均湿度为 R H 7 5 的室内环境中放 置 2 4 h的剩余试件继续在此环境下养护至 1 4 d龄期， 切去浮 浆表层 3 0 ra m厚混凝土层 ， 以切割面作为暴露面， 吹干试件 表面， 为模拟近似一维方 向的扩散， 圆柱体侧面及浇筑底面 用环氧树脂材料封 闭。 表 1 试件混凝土配合比 W C 水泥 水 砂 粗骨料减水率 S l ( S +G ) 坍落度 k gm一 3 k g m 一 k g m 一 3 k g m 一 3 mm 5 5 5 3 l 8 1 7 6 8 4 8 9 5 0 3 1 8 4 7 9 1 8 c m 注： 粗骨料最大粒径2 0 ra m， 细骨料最大粒径 5 m m。 2 2暴露环境 表面涂封处理后 的试件被移人位于本东京湾沿岸 ( 北 纬3 5度、 东经 1 3 8度区域) 的暴露试验站内进行干湿循环试 验， 试验用水直接采用东京湾海水。干湿循环区域主要包括 模拟潮差区和浪溅区的区域。潮差区内海水每天被 自动泵 出 注入池中两次， 潮差区干湿循环比例为 1 ： 1 ， 每日两个循 环。模拟浪溅区试验站位于海水池边大气中该区域中的试 件每天受到两次海水喷淋， 每次持续 4 h ， 两次喷淋间隔 8 h ， 干湿循环比例为 2 ： 1 。该暴露试验站所处地区室外大气的 温湿度在整个暴露试验周期内均较高， 暴露初期( 1 0月) 大 气的平均温度为2 3 ， 平均 R H为7 5 左右。 2 3 试验结果 采用酸溶法萃取粉样中的氯离子 ， 并用电位滴定法测定 各粉样中的氯离子浓度值。测试结果见图 1 。 、 避 赠 一 捌 加 键 兰 蛔 嚣 髓05 褪 鞲0 5 1 0 1 5 2 0 3 O 距离表面深度 ram 图 1 氯离子浓度分布测试结果 浪溅 区试块氯离子澈度舅试结果 湘差区试块氯离 子浓度 试结果 a 水下区试 块氯离子浓度穗试结果 一 浪溅区模 型计算结果( 干程循环比倒 2 ： 1 ) 潮差区模 型计算结累 ( 千基循环比例 1 ： 1 ) 水下区 模型 计算结果 ( 干浸循环出 侧为l ： ) 0 0 5 1 0 l _ 5 2 O 3 O 侵蚀深度 ， c m 图 2 样本的检测和模型拟合计算结果的对比 2 4 模型计算和试验结果的比较 建立侵蚀长度为 3 0 mm的一维模型， 时间跨度 6个月。 置于浪溅 区的混凝土经历 1 2 h的干 湿循环周 期 ， 其 中 8 h干 燥 ， 4 h润湿 ， 干湿循环 比例为 2： 1 ； 置于潮差区的混 凝土经历 1 2 h的干湿循环周期 ， 其中6 h为干燥过程， 6 h为润湿过程 ， 于湿循环比例为 1 ： 1 ； 置于水下 区的混凝土全程浸没于水 中， 干湿循环比例为 1 ： o 。 。模型计算结果如图2 所示。 计算结果显示， 模型计算所得的混凝土内部氯离子的累 积速率、 氯离子浓度分布等， 均与实测结果具有良好的相关 性。对比干湿循环作用下的混凝土试件和长期浸没于海水 中的混凝土试件， 浅表层混凝土中的氯离子分布曲线有明显 的区别 。本模型 曲线描述 了氯离 子在干湿 循环作用 下的 累 积效应 ， 即： 润湿阶段氯离子随海水经混凝土浅表层进入其 内部； 干燥过程中， 浅表层孔隙液中水分由混凝土内部向外 界大气蒸发， 氯离子滞留于孔隙中。在若干干湿循环作用 岫 咖 栅 抛 咖 O 0 O O O 杜文 学 ： 岩土工程材料 的塑性 问题研究 岩 土工程材 料的塑性 问题研 究 杜文学 ( 黑龙江科技学 院建筑工程学院 哈尔滨1 5 0 0 2 7) 【 摘要】 对岩土材料的库仑屈服进行分析推导， 得出了库仑定律的塑性屈服和其本构( 流动准则) 形式， 对 研究岩土材料的剪切破坏有一定的实际意义。 【 关键词】 岩土材料； 库仑定律； 塑性屈服； 剪切破坏 【 中图分类号】 T U 4 4 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 0 9 0 2 岩土工 程材料力 学问题 是复杂 的， 大 量 的研究表 明 0 】 ， 塑性理论在金属及饱和土质 的适 用条 件与岩 石及 土 质的适用条件是有明显区别 ， 特别是塑性屈服。原因是： 一 方面， 金属等材料在一般平面状态下， 材料的拉伸和压缩的 相继屈服点相同， 材料没有包辛格效应； 另一方面金属等材 料不考虑静水 压力 。而 岩 石材料 既有 包辛 格 效应 ， 又要 考 虑静水压力。所以， 我们研究塑性屈服的条件应该在传统 的金属材料的屈服条件上加以修正 ， 即用， ( -， 。 J ， )=0 ， 而不能简单应用金属材料的屈服条件 ， ： J 3 )=0 。 基于 厂 ( _ ， J )=0这个屈服条件来研究一下此条件在岩土力 学剪切破坏中的应用。 1 理想弹塑性本构模型的库仑屈服条件 9 在岩土工程中常用库仑定律 。 来表示土体的极限抗剪 强度如 图 1 所示 ： 丁 、 一 一 图 1 土体中任一点的极限平衡状态 r=ro r t ( 1 ) 式中， r为极限抗剪强度； o r 为受剪面上的法向应力 ， 向 上为正； c 、 西为岩土的粘聚力及内磨擦角。 基金项目 黑龙江省交通厅科学技术研究项 目( 1 1 5 2 1 2 6 0 ) ； 黑龙江科技学院青年基金项目( 0 8 1 3 ) O OO OO OO O O OO OO 0o OO OO OO o0 O O OO OO OO O o OO0 00 OO O O OO OO OO OO OO o0 OO O O OO OO OO O O0 00 O O O00 O O OO O0 00 0 OO0 00 OO 00 O O OO O 下， 氯离子在混凝土浅表层不断累积出现浓度峰值。对长期 浸没于水下的试件， 浅表层孔隙液趋于饱 和， 氯离子在混凝 土内部的运动即浓度梯度下的扩散。 同时， 图2反映了环境中润湿干燥时间之间的比例与氯 离子在混凝土中扩散效应的关系： 随着润湿与干燥时间比例 的增大， 混凝土孔隙趋于饱和， 氯离子运动模型扩散效应趋 于明显 ； 反之， 随着润湿与干燥时间比例减少， 浅表层混凝土 孔隙液趋于排空， 氯离子传输模型扩散效应趋于弱化。 3结语 ( 1 ) 干湿循环作用下， 氯离子在混凝土内部的传输是 浓度梯度和孔隙液对流的耦合作用； 讨论干湿循环趋于混凝 土中氯离 子的传输 ， 必须考虑非饱 和状态下水 分的渗流 和氯 离子运动的耦合机理。 ( 2 ) 干湿循环作用下混凝土内部呈非饱和状态 ， 水分 的扩散系数 D 和孔隙饱和度s 之间函数关系可通过考察孔 隙压力 P与 s 间的关系建立。 ( 3 ) 将实测的氯离子含量从相对于混凝土质量的百 分比含量的表示形式转变为氯离子质量相对于孔隙液体积 的表示形式后 ， 结合非饱和状态下水分的扩散模型， 建立干 湿循环作用下氯离子在混凝土中的传输模型。 ( 4 ) 通过对暴露试验中的混凝土试件样本测试值进 行模型计算发现， 模型计算与实测值具有很好的相关性。 ( 5 ) 本模型较好的描述了干湿循环作用下氯离子在 混凝土浅表层的累积峰值 ， 并可准确 的反映干湿循环 比例 与 氯离子扩散效应间的关系。 参考 文献 1 K o i c h i Ma e k a w a ， R a j e s h C h a u b e ， T o s h i h a r u K i s h i Mo d e l i n g o f C o n c r e t e P e r f o r m a n c e M E & F N S pon ， L o n d o n ， 1 9 9 9 2 C h anb e R P ， S h i m o m u m T ， M a e k a w a k M u h i p h a s e w a t e r m o v e m e n t i n c o n c r e t e a s a mu l t i c o m p o n e n t s y s t e m c I n P r o - c e e d i n g s o f t h e 5 t h RI L EM I n t e rn a t i o n a l S y mpo s i u m O n C r e e p an d S h r i n k a g e i n C o n c ret e Ba r c e l o n a， E&FN S po n，L o n d o n：1 9 9 3， 1 3 9 1 4 4 3 R o b e r t M C o r l e s s ， G o n n e t G H， Ha r e D E G， J e ff r e y D J ， K n u t h D E On t h e l a mb e r t W f u n c t i o n J A d v a n c e s i n C o mp u t a t i o n a l Ma t h e m a t i c s ， 1 9 9 6， ( 5 ) ：3 2 9 3 5 9 4 天津大学， 等 化工传递过程 M 北京： 化学工业出版社， 1 9 8 0 5 S k e l l and A H D i ff u s i o n a l m a s s t r a n s f e r M Wil e y ， 1 9 7 4 ， N e w Yo r k 收稿 日期 】 2 0 1 0一o 42 2 作者简介 】 薛文 ( 1 9 8 3一) ， 女 ， 杭州 人， 博士研究 生 ， 研 究 方 向 ： 混凝土结构耐久性。