波动水流作用下氯离子在混凝土中的传输规律

波动水流作用下氯离子在混凝土中的传输规律

孙鹏贵 马俊 冯振川 沈耀 戴文浩

中国建筑第八工程局有限公司南方分公司 广东省深圳市 518000

摘要：本研究旨在深入探究波动水流作用下氯离子在混凝土中的传输规律。通过精心设计实验，模拟多种波动水流工况，运用先进的检测技术监测氯离子浓度分布，构建了考虑波动水流特性的数学模型。研究结果表明，波动水流对氯离子传输具有显著影响，流速、波动频率及振幅等因素均在不同程度上改变着氯离子的传输行为，为混凝土结构耐久性评估与防护设计提供了重要的理论依据。

关键词：波动水流；氯离子传输；混凝土；耐久性

中建八局科技研发项目《低碳高抗蚀水泥基海洋工程材料研究与应用》（2023-2-37）

引言：混凝土结构广泛应用于各类基础设施建设，如桥梁、港口、海洋平台等。然而，在服役过程中，这些结构常常面临氯离子侵蚀的威胁，严重影响其耐久性。在实际环境中，水流并非总是处于稳定状态，波动水流的存在使得氯离子在混凝土中的传输过程变得更为复杂。深入研究波动水流作用下氯离子的传输规律，对于准确预测混凝土结构的使用寿命、制定有效的防护策略具有重要的科学意义和工程应用价值。

一、实验材料与方法

（一）实验材料

1.混凝土配合比设计

采用普通硅酸盐水泥、中砂、碎石以及减水剂，设计水灰比为0.4，配合比为水泥：砂：石子=1：1.5：3.0。制备尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试件，在标准养护条件（温度20℃±2℃，相对湿度95%以上）下养护28天。

2.氯离子溶液配制

选用分析纯氯化钠试剂，配制浓度分别为1mol/L、2mol/L和3mol/L的氯离子溶液，作为侵蚀介质。

（二）实验装置与流程

1.波动水流模拟系统

自主研发波动水流模拟装置，主要由水槽、造波机、流速控制系统以及数据采集系统组成。水槽尺寸为1000mm×500mm×500mm，采用透明亚克力板制作，便于观察实验过程。造波机可产生不同频率（0.2Hz-1.2Hz）和振幅（10mm-30mm）的波动水流，流速控制系统能够精确调节水流速度（0.03m/s-0.15m/s）。

2.实验操作步骤

将养护期满的混凝土试件置于水槽中央，固定牢固。向水槽中注入特定浓度的氯离子溶液，直至试件完全浸没。启动造波机和流速控制系统，设定不同的波动水流参数组合，进行为期30天的侵蚀实验。在实验过程中，每隔3天采集一次混凝土试件不同深度（0-5mm、5-10mm、10-15mm等）处的样品，采用离子选择性电极法测定氯离子浓度。

二、氯离子浓度分布与传输特性

（一）不同深度氯离子浓度变化

实验结果显示，在波动水流作用下，混凝土试件不同深度处的氯离子浓度随时间逐渐增加。在靠近混凝土表面的区域（0-5mm），氯离子浓度增长迅速，且浓度梯度较大；随着深度增加，氯离子浓度增长速率逐渐减缓，浓度梯度变小。例如，在流速为0.1m/s、波动频率为0.8Hz、振幅为20mm的波动水流条件下，经过30天侵蚀，混凝土表面氯离子浓度可达2.5%（以混凝土质量百分比计），而在10-15mm深度处，氯离子浓度仅为0.5%左右。

（二）波动水流参数对传输的影响

1.流速的影响

流速是影响氯离子传输的关键因素之一。随着流速增大，氯离子在混凝土中的传输速度显著加快。在较高流速（如0.15m/s）下，氯离子能够更快地到达混凝土内部更深层次。这是因为较高的流速增强了对流作用，使更多的氯离子能够被带到混凝土表面并侵入内部。对比流速为0.03m/s和0.15m/s的实验结果，发现30天后，在0.15m/s流速下，氯离子在混凝土中的侵入深度比0.03m/s时增加了约50%。

2.波动频率的影响

波动频率对氯离子传输也具有重要影响。较高的波动频率（如1.2Hz）会使氯离子在混凝土表面的分布更加均匀，但在一定程度上限制了氯离子向内部的深入传输。相反，较低的波动频率（如0.2Hz）导致氯离子在混凝土表面局部区域积聚较多，容易形成浓度峰值，且能够侵入更深的深度。这是由于高频率波动使溶液中的氯离子在混凝土表面的停留时间较短，难以深入内部；而低频率波动则使氯离子有更多机会在局部区域积累并逐渐向内扩散。

3.振幅的影响

振幅主要影响氯离子在混凝土表面的吸附和解吸过程。较大的振幅（如30mm）增加了混凝土表面与氯离子溶液的接触面积和接触机会，促进了氯离子的吸附和解吸过程，从而加速了氯离子的传输。然而，过大的振幅可能会对混凝土表面造成一定的物理损伤，进一步增加氯离子侵入的通道。实验发现，振幅从10mm增加到30mm时，混凝土表面氯离子浓度在相同时间内增加了约30%。

（三）氯离子传输模型构建

1.基于Fick定律的改进模型

基于Fick第二定律，考虑波动水流的对流作用、吸附解吸过程以及波动特性，建立了氯离子在波动水流作用下的传输模型：

其中，C为氯离子浓度（mol/m³），t为时间（s），D为氯离子扩散系数（m²/s），

为混凝土深度（m），为流速（m/s），为吸附系数，为解吸系数，为混凝土表面氯离子平衡浓度（mol/m³），为与波动特性相关的系数，为描述波动频率和振幅对氯离子传输影响的函数。

2.模型参数确定与验证

通过实验数据拟合确定模型中的参数值。采用最小二乘法对不同波动水流条件下的实验数据进行拟合，得到了较为准确的参数值。利用验证实验数据对模型进行验证，结果表明模型计算结果与实验数据吻合良好，平均相对误差在8%以内，证明了模型的可靠性和有效性。

三、微观结构分析与机理探讨

（一）混凝土微观结构变化

采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP）对受波动水流侵蚀后的混凝土微观结构进行分析。结果表明，波动水流作用导致混凝土内部孔隙结构发生显著变化。孔隙率增加，孔径分布变宽，大孔数量增多。这是由于波动水流的冲刷和压力作用破坏了混凝土中的水泥水化产物，使原本致密的微观结构变得疏松，为氯离子的传输提供了更多的通道。

（二）传输机理分析

在波动水流作用下，氯离子的传输是扩散、对流和吸附解吸过程的综合作用。对流作用主要由波动水流的流速驱动，使氯离子在混凝土表面快速更新，增加了氯离子与混凝土表面的接触机会，从而促进了吸附和解吸过程。扩散作用则使氯离子在浓度梯度的驱动下向混凝土内部传输。吸附解吸过程在混凝土表面和孔隙内不断进行，受波动水流的影响，这一过程变得更加复杂。较大的流速、波动频率和振幅会改变混凝土表面的电化学环境和物理状态，影响吸附和解吸平衡，进而影响氯离子的传输速率和分布。

四、结论与展望

（一）研究结论

1.波动水流对氯离子在混凝土中的传输具有显著影响，流速、波动频率和振幅是影响氯离子传输的关键因素。通过实验研究和模型分析，揭示了这些因素与氯离子传输速率、侵入深度和浓度分布之间的定量关系。

2.建立的考虑波动水流特性的氯离子传输数学模型具有较高的可靠性和准确性，能够较好地描述波动水流作用下氯离子在混凝土中的传输过程，为混凝土结构耐久性评估提供了有效的工具。

3.微观结构分析表明，波动水流作用导致混凝土内部孔隙结构破坏，孔隙率增加，孔径分布变宽，这是氯离子传输加速的微观机理之一。

（二）展望

1.进一步研究不同环境因素（如温度、湿度、其他化学物质等）与波动水流共同作用下氯离子在混凝土中的传输规律，建立更为综合的模型。

2.优化实验方法和检测技术，提高氯离子浓度测量的准确性和微观结构分析的分辨率，以便更深入地研究氯离子传输机理。

3.将研究成果应用于更多实际工程案例，进一步验证和完善模型，为混凝土结构的耐久性设计、维护和修复提供更具针对性的指导。

综上所述，本研究为波动水流作用下氯离子在混凝土中的传输研究提供了有价值的成果，对提高混凝土结构在复杂环境下的耐久性具有重要意义。

参考文献：

[1]延永东,司有栋,陆春华,等.氯离子在带接缝混凝土内的传输规律研究[J].建筑科学与工程学报,2023,40(1):49-56.

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