海洋環(huán)境要素綜合影響下混凝土中氯離子的傳輸模型

練繼建，張 杰，吳慕丹，王海軍

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

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海洋環(huán)境要素綜合影響下混凝土中氯離子的傳輸模型

練繼建，張 杰，吳慕丹，王海軍

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

摘要：為澄清多種海洋環(huán)境要素對(duì)混凝土氯離子侵蝕的綜合影響，在對(duì)混凝土氯離子侵蝕機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，建立了日照、潮汐、氣溫等海洋環(huán)境綜合影響下的混凝土氯離子傳輸計(jì)算模型.該模型在傳統(tǒng)對(duì)流-擴(kuò)散模型中增加了ASHRAE晴空日照模型，并考慮了潮汐水位的周期變化導(dǎo)致的干濕兩個(gè)過(guò)程中水分?jǐn)U散以及水-土界面擴(kuò)散等邊界條件的差異，采取氯離子相對(duì)孔隙液的濃度作為控制指標(biāo)，運(yùn)用有限差分法，對(duì)海上混凝土結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、氯離子濃度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算.通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各模塊計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，吻合良好.該模型對(duì)于海工混凝土的耐久性設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞：氯離子；耐久性；海洋環(huán)境；對(duì)流；擴(kuò)散

氯離子侵蝕造成的海洋工程中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞已成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題.當(dāng)海水中的氯離子穿透混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面并逐漸積累至某臨界濃度時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜迅速破壞，鋼筋開(kāi)始銹蝕，造成鋼筋體積膨脹，擠壓混凝土保護(hù)層而出現(xiàn)裂縫甚至剝落，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性壽命的終結(jié).關(guān)于這方面的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了許多成果［1-2］，多集中在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下，針對(duì)某一特定因素進(jìn)行研究.在模擬氯離子分布時(shí)，一般簡(jiǎn)化其為室溫條件下的飽和混凝土，沒(méi)有考慮溫度和濕度的變化對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?，其邊界條件也往往采用一個(gè)由數(shù)據(jù)擬合的定值，沒(méi)有針對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入研究.

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)［3-4］中的薄壁結(jié)構(gòu)處于海洋潮汐區(qū)，不可避免地受到各種自然因素的共同作用，如太陽(yáng)照射、潮汐、環(huán)境溫度、空氣濕度以及風(fēng)速等.這些環(huán)境因素都直接或間接影響了氯離子的傳輸，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮.

本文的氯離子傳輸模型在對(duì)流-擴(kuò)散傳輸模型基礎(chǔ)上，代入了ASHRAE晴空日照模型，考慮了潮汐水位和環(huán)境氣溫、水溫的周期變化，運(yùn)用有限差分法，對(duì)海上風(fēng)電混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、氯離子濃度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算.

1　溫度場(chǎng)計(jì)算

海上風(fēng)電基礎(chǔ)中處于海面上的結(jié)構(gòu)表面不斷地以輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的方式與周圍環(huán)境進(jìn)行著熱交換，表面與內(nèi)部的溫度都處于動(dòng)態(tài)變化.溫度場(chǎng)邊界條件與所處的地理位置、地形地貌條件、方位朝向以及風(fēng)速、氣溫、潮汐水位變化等因素有關(guān)，見(jiàn)圖1.

圖1　某海上風(fēng)電基礎(chǔ)的海洋環(huán)境要素Fig.1 Marine environment factors of an offshore wind power foundation

1.1太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算

選擇美國(guó)供暖、制冷和空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)推薦的ASHRAE晴空日照模型［5］，計(jì)算瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度.該太陽(yáng)輻射模型為晴空模型，是工程分析中所考慮的最不利天氣條件，計(jì)算結(jié)果偏保守.建筑物吸收的太陽(yáng)輻射由直射輻射GD、天空散射輻射和地面Gdθ與建筑物反射輻射GR組成，即

式中：γ為太陽(yáng)輻射吸收率；GND為垂直入射直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；θ為太陽(yáng)入射角；Fws為表面對(duì)天空的角系數(shù)，（其中，α為計(jì)算表面與水平面之間的傾角）；Fwg為表面對(duì)地面的角系數(shù)，；ρg為地面或水面的反射率；C為水平面上的散射輻射與直射輻射的比值；β為太陽(yáng)高度角，與緯度、日期、時(shí)刻以及平面方位和朝向有關(guān)，取值及計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)［6］.GND的表達(dá)式為

式中：A為大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；B為大氣消光系數(shù)；CN為大氣清潔度.

1.2對(duì)流換熱計(jì)算

熱對(duì)流是由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞，計(jì)算基礎(chǔ)是牛頓冷卻定律

式中：qh為熱對(duì)流的熱流密度；hc為對(duì)流換熱系數(shù)；T為構(gòu)件表面溫度；T0為周圍流體的溫度.

考慮潮汐作用，當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于水面以上時(shí)，為外界氣溫；當(dāng)位于水面以下時(shí)，為海水溫度，且認(rèn)為此時(shí)hc很大.

1.3輻射換熱計(jì)算

結(jié)構(gòu)表面以電磁波形式向外界發(fā)射輻射，同時(shí)吸收來(lái)自周圍環(huán)境發(fā)射的輻射.根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，輻射熱交換的熱流密度qr為

式中：ε為表面輻射系數(shù)；Cs為Stefan-Boltzmann常數(shù)，其值為5.669×10-8W/m2；T*為絕對(duì)零度.

1.4熱傳導(dǎo)理論與邊界條件

熱傳導(dǎo)為不同部位之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換.根據(jù)能量守恒，傅里葉熱傳導(dǎo)公式為

式中：k為混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·℃）；ρ為材料密度，kg/m3；c為材料的比熱容，J/（kg·℃）；t為時(shí)間；x為擴(kuò)散深度.

當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于水面以上時(shí)，結(jié)構(gòu)表面暴露在大氣中，結(jié)構(gòu)表面和環(huán)境之間熱量傳遞通過(guò)日照的qs、對(duì)流的qh、輻射的qr來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用第3類邊界

當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于水面以下時(shí)，結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在海水中，結(jié)構(gòu)表面溫度能迅速與水溫平衡，邊界條件近似為

2　濕度場(chǎng)計(jì)算

濕度在混凝土內(nèi)的傳輸通量用孔隙飽和度的變化來(lái)表示，采用Fick定律的形式

式中：Jm為孔隙飽和度通量；ω為孔隙含水飽和度；Dw為濕度擴(kuò)散系數(shù).

2.1濕度擴(kuò)散系數(shù)

為了區(qū)別濕度在干燥和濕潤(rùn)階段擴(kuò)散的差異，本模型分別采用了不同的濕度擴(kuò)散系數(shù).

濕潤(rùn)階段（潮汐水面運(yùn)動(dòng)到計(jì)算高程以上）：

干燥階段（潮汐水面運(yùn)動(dòng)到計(jì)算高程以下）：

式中：DS、D0為混凝土完全飽和與完全干燥時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)；ωc為擴(kuò)散系數(shù)為DS/2時(shí)的孔隙飽和度；α0、n 和Bw為模型參數(shù)，采用CEB-FIP［7］推薦參數(shù).

需要注意的是，在濕潤(rùn)階段，僅在濕潤(rùn)前鋒到達(dá)的范圍內(nèi)采用式（9），未到達(dá)的地方仍用式（10）.而在具體的數(shù)值計(jì)算中，在濕潤(rùn)階段的每個(gè)時(shí)間步開(kāi)始時(shí)，首先通過(guò)孔隙含水飽和度ω隨深度變化的單調(diào)性來(lái)判斷濕潤(rùn)前鋒的位置，作為分界線.

Grace［8］發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)Dw影響很大，需根據(jù)上文得出的溫度場(chǎng)對(duì)濕度擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正.在溫度變化范圍不大的情況下，采用Arrhenius經(jīng)驗(yàn)公式表示溫度活化過(guò)程，即

式中：fT為濕度傳輸?shù)臏囟刃拚禂?shù)；U為濕度擴(kuò)散過(guò)程活化能；R為摩爾氣體常數(shù)，U/R取值［9］為2 500 k；Tref為熱力學(xué)參考溫度.

2.2濕度場(chǎng)計(jì)算邊界條件

濕度場(chǎng)計(jì)算所采用的邊界條件可分為兩類：

（1）第1類邊界條件（Dirichlet邊界）

（2）第3類邊界條件

式中：ωs為結(jié)構(gòu)表面的飽和度；ωe為周圍環(huán)境的等效飽和度；f為表面因子.

考慮潮汐作用下的干濕兩種情況，濕潤(rùn)時(shí)的水分?jǐn)U散系數(shù)相對(duì)干燥大很多，故濕潤(rùn)階段采用第1類邊界條件，ωe=1；干燥階段采用第3類邊界條件.王建等［10］指出當(dāng)水灰比大于0.3時(shí)，考慮風(fēng)速的影響，表面因子f為

式中：f0為風(fēng)速為0時(shí)的表面因子，cm/d；wc為水灰比；v為計(jì)算高程處的平均風(fēng)速.

該模型中濕度場(chǎng)的變量指標(biāo)是孔隙含水飽和度，而空氣用相對(duì)濕度表示.由于混凝土孔徑小，難以測(cè)得負(fù)壓，則使用等溫吸附曲線，建立混凝土中水分含量與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線.孫金陽(yáng)［11］根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得

3　氯離子濃度計(jì)算

3.1氯離子傳輸控制方程

海上風(fēng)電的薄壁混凝土基礎(chǔ)中的氯離子主要以擴(kuò)散和對(duì)流兩種機(jī)制傳輸.氯離子從高濃度向低濃度處遷移，為擴(kuò)散效應(yīng)，見(jiàn)圖2（a）；水分在混凝土中傳輸時(shí)，攜帶溶解于其中的離子一起運(yùn)動(dòng)，為對(duì)流效應(yīng)，見(jiàn)圖2（b）.氯離子的傳輸通量為

式中：Ccl為孔隙液中氯離子濃度；Dcl為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；φ 為混凝土孔隙率.

圖2　對(duì)流-擴(kuò)散機(jī)理示意Fig.2 Schematic illustration of convection-diffusion

式（16）中，氯離子濃度的變量指標(biāo)采用氯離子相對(duì)孔隙液體積（質(zhì)量）比，更符合實(shí)際擴(kuò)散機(jī)理與銹蝕判定準(zhǔn)則.因氯離子的擴(kuò)散發(fā)生在混凝土孔隙液中，由高濃度處向低濃度處擴(kuò)散.在潮汐的作用下，孔隙飽和度不斷變化.尤其是在干燥階段，表層水分蒸發(fā)，但氯離子滯留，淺層的孔隙液濃縮而成更高濃度氯離子溶液.在濃度梯度作用下，氯離子可繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)散.而傳統(tǒng)的氯離子擴(kuò)散模型中，受到實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的限制，通常采用氯離子相對(duì)混凝土質(zhì)量比作為濃度指標(biāo)，該指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)孔隙飽和度變化對(duì)擴(kuò)散的影響.此外判定鋼筋開(kāi)始銹蝕是以鋼筋周圍孔隙液的pH值作為臨界值，取決于溶液中氯離子的含量，與混凝土固相無(wú)關(guān).

3.2氯離子擴(kuò)散系數(shù)

Saetta等［12］指出氯離子擴(kuò)散系數(shù)可表示為

式中：Dc ref為參考齡期、溫度下飽和混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，使用Life-365［13］程序中采用的在20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)28天混凝土的擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系來(lái)計(jì)算，D0=10-12.06+2.4 Wc；f1（T）、f2（ω）、f3（t）分別為溫度、濕度、齡期對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響系數(shù)，其表達(dá)式為

式中：Tref為熱力學(xué)參考溫度，取293 k；Uc為擴(kuò)散過(guò)程的活化能［12］（水灰比0.4時(shí)，Uc=49 887 J/mol；水灰比0.5時(shí)，Uc=45 314 J/mol）；R=8.315 J/（mol·K）；ωc為擴(kuò)散系數(shù)衰減為一半時(shí)的混凝土中水分飽和度，取0.75；m為齡期衰減指數(shù)，與水灰比有關(guān)，m= 3（0.55-wc）.齡期衰減公式適用于前10 a，10 a后氯離子擴(kuò)散系數(shù)將達(dá)到穩(wěn)定.

3.3氯離子濃度計(jì)算邊界條件

受潮汐的影響，氯離子濃度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件也需要分干燥與濕潤(rùn)兩種情況.當(dāng)潮汐水位活動(dòng)到計(jì)算點(diǎn)以下時(shí)，混凝土處于大氣環(huán)境中，水分能夠在表面交換而離子不能，混凝土中的氯離子質(zhì)量守恒：當(dāng)潮汐水位活動(dòng)到計(jì)算點(diǎn)以上時(shí)，混凝土浸沒(méi)于海水中，水分和離子均可自由進(jìn)出界面.

因混凝土表面與海水大面積接觸，且海水處于流動(dòng)狀態(tài)（見(jiàn)圖3），表層孔隙內(nèi)積聚的高濃度氯離子能夠以很快的速率擴(kuò)散到海水中.引入一個(gè)擴(kuò)散表面因數(shù)b，表征水土交界面氯離子擴(kuò)散系數(shù)與內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)的倍數(shù).

式中：C0為混凝土表層的氯離子濃度；Csea為海水中氯離子濃度；Dcs為飽和混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù).

圖3　氯離子擴(kuò)散截面示意Fig.3 Schematic of section of chlorideion diffusion

4　模型計(jì)算方法與驗(yàn)證

4.1多場(chǎng)耦合計(jì)算流程

基于前文所述的傳輸機(jī)理，建立數(shù)學(xué)模型.計(jì)算模型為高度非線性偏微分方程，采用有限差分法在空間域和時(shí)間域進(jìn)行離散，計(jì)算流程見(jiàn)圖4.

圖4　模型計(jì)算流程Fig.4 Calculation flow chart of the model

4.2模塊試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1日照橋梁溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)

對(duì)于日照作用下的混凝土溫度場(chǎng)，圖5為某大跨箱梁的跨中截面的溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比［14］.

大橋地理緯度為32.5°N；環(huán)境氣溫變化范圍為21.1～34.5 ℃；混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度分別為2.5 W/（m·K）、880 J/（kg·K）和2 400 kg/m3；大橋中軸線為南偏西41°；地表反射率為0.1.

從結(jié)果中提取日序227的頂板表面和東側(cè)腹板表面溫度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度變化趨勢(shì)相同，吻合較好.東側(cè)腹板表面的實(shí)測(cè)溫度相比計(jì)算結(jié)果更“高瘦”，可能因側(cè)面受水平風(fēng)速影響較小，減慢了與外界空氣的熱傳遞，在日照作用下溫度變化更為劇烈.

圖5　大橋表面實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of temperature of bridge surface between test and calculated results

4.2.2水下區(qū)浸泡實(shí)驗(yàn)

對(duì)于擴(kuò)散模型，選定王傳坤等［15］的室內(nèi)浸泡試驗(yàn). 混凝土試塊邊長(zhǎng)為100 mm，水灰比為0.4.浸泡于濃度為15% 的NaCl溶液中，溫度控制在30 ℃左右，35 d后取出試塊，然后使用RCT對(duì)粉樣進(jìn)行氯離子測(cè)試.試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果（見(jiàn)圖6）非常吻合，充分說(shuō)明本模型中的擴(kuò)散模塊已非常成熟.

圖6　水下區(qū)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of mass fraction of chloride ion in under-water area

4.2.3干濕循環(huán)試驗(yàn)

Hong等［16］制作了水灰比為0.4的混凝土柱體.經(jīng)23 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件6 h鹽水浸泡（NaCl濃度為1 mol/L），18 h空氣干燥（相對(duì)濕度為50% ），周期24 h的干濕循環(huán)條件，模擬多倫多大橋面板的除冰鹽環(huán)境.試驗(yàn)分6組，分別在1 d、4 d、9 d、16 d、25 d、36 d后，繪制氯離子濃度曲線，如圖7所示，與本模型計(jì)算結(jié)果吻合良好，同時(shí)擬合出表面因數(shù)在100左右.驗(yàn)證了本模型對(duì)干濕交替作用下氯離子傳輸機(jī)理分析的正確性.

圖7　干濕循環(huán)條件下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Distribution of mass fraction of chlorideion after cycles of wetting and drying

5　計(jì)算實(shí)例

應(yīng)用本文模型，計(jì)算位于東海海域（地理緯度為31.8°N）的海上風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土薄壁結(jié)構(gòu)的氯離子濃度分布.不考慮混凝土初始帶入的氯離子，且認(rèn)為養(yǎng)護(hù)完成后混凝土是飽水的，各處溫度相同.初始條件定為：C=0，ω=1，T=10 ℃.

5.1材料參數(shù)的取值

混凝土水灰比為0.30，孔隙率為13.8% ，密度為2 572 kg/m3，保護(hù)層素混凝土密度為2 274 kg/m3，比熱容為840 J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/m·K，混凝土表面的太陽(yáng)輻射吸收率為0.65，輻射系數(shù)取3.34.其他計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　CEB FIP model code推薦參數(shù)Tab.1 Parameters recommended by CEB FIP model code

劉玉等［17］應(yīng)用掃描微參比電極法，模擬混凝土孔隙液中鋼筋發(fā)生點(diǎn)腐蝕的氯離子濃度，得出氯離子臨界濃度為0.04～0.05 mol/L.

5.2環(huán)境參數(shù)的取值

選取計(jì)算范圍為200 mm，高程為海平面上1 m，方向朝南，計(jì)算風(fēng)速為4 m/s，對(duì)流換熱系數(shù)為16 W/（m2·K），海面反射率為0.35.海水中氯離子濃度為20 g/L（17%）；大氣平均相對(duì)濕度為70% .平均日溫差為10 ℃，15:00時(shí)達(dá)到峰值，氣溫變化用正弦曲線表示，海水水溫取當(dāng)日平均氣溫，即

式中：Ta為當(dāng)月平均氣溫，1～12月的Ta分別為3.4、3.1、9.7、15.3、20.5、24.3、28.2、27.5、23.4、18.7、11.4、7.6 ℃；Tc為日溫差.

以吳淞地區(qū)潮汐水位變化資料計(jì)算，潮差為3.50 m，線性插值表示如圖8所示.

圖8　吳淞地區(qū)潮汐水位變化Fig.8 Variations of tide level in Woosung area

5.3結(jié)果與分析

5.3.1溫度場(chǎng)分析

據(jù)圖9、圖10中的溫度計(jì)算結(jié)果可知：①混凝土的平均溫度高于環(huán)境氣溫.圖9（a）中溫度的大波動(dòng)是由于每月的日照狀況不同，小波動(dòng)是由于每日的潮汐狀況不同.②混凝土的內(nèi)外溫差達(dá)10 ℃以上，冬季的內(nèi)外溫差大于夏季.因冬季太陽(yáng)高度角較小，對(duì)于豎直平面近乎垂直入射，故冬季太陽(yáng)輻射對(duì)溫度場(chǎng)的影響更大. ③表面溫度的變化幅度大于內(nèi)部溫度，內(nèi)部溫度變化滯后于表面.④浸沒(méi)時(shí)混凝土溫度迅速向水溫趨近.

圖9　混凝土溫度場(chǎng)年變化Fig.9 Annual variations of concrete temperature field

圖10　混凝土溫度場(chǎng)日變化Fig.10 Diurnal variations of concrete temperature field

5.3.2濕度場(chǎng)分析

濕潤(rùn)過(guò)程比干燥過(guò)程進(jìn)行得更快，因?yàn)樵撃Ｐ头謩e采用了不同的濕度擴(kuò)散系數(shù)，更符合真實(shí)情況.潮汐作用下，干濕循環(huán)對(duì)濕度場(chǎng)的最大影響深度約10 mm，見(jiàn)圖11.在此范圍內(nèi)，對(duì)流效應(yīng)為氯離子傳輸?shù)闹饕獧C(jī)制.

圖11　干燥和濕潤(rùn)過(guò)程的濕度場(chǎng)變化Fig.11 Humidity field change during wetting and drying processes

5.3.3氯離子濃度場(chǎng)分析

氯離子不斷地向混凝土內(nèi)部傳輸.在對(duì)流區(qū)內(nèi)氯離子的濃度高于海水濃度.干濕交替作用下，干燥時(shí)水分向外蒸發(fā)而氯離子在表面積累；濕潤(rùn)時(shí)海水向內(nèi)部滲透，將表面積累的氯離子運(yùn)輸?shù)搅藢?duì)流區(qū)內(nèi)部.對(duì)流效應(yīng)在初期增長(zhǎng)較為顯著，后期對(duì)流與擴(kuò)散達(dá)到平衡，對(duì)流區(qū)氯離子質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定.在距表面10 mm以外的混凝土始終處于飽和狀態(tài)，氯離子以擴(kuò)散的機(jī)制傳輸，見(jiàn)圖12（a）.

圖12（b）描繪了混凝土內(nèi)5 mm、15 mm、25 mm深度處的氯離子質(zhì)量濃度時(shí)程變化，分別代表了對(duì)流區(qū)、擴(kuò)散區(qū)淺層、擴(kuò)散區(qū)深層.各處的氯離子質(zhì)量濃度都是波動(dòng)變化的.在擴(kuò)散區(qū)溫度因素的影響下，夏季增速較快，冬季增速較慢.而在對(duì)流區(qū)卻出現(xiàn)了相反的規(guī)律.由于對(duì)流區(qū)的濃度變化受表面輸入和內(nèi)部輸出兩方面因素影響，在二者之間達(dá)到平衡.表面邊界條件變化不大，而內(nèi)部擴(kuò)散輸出夏季多冬季少，故對(duì)流區(qū)出現(xiàn)氯離子增長(zhǎng)夏季慢冬季快的現(xiàn)象.

圖12　混凝土氯離子濃度場(chǎng)模擬Fig.12 Simulation of chloride ion profiles in concrete

圖13展示了服役20 a后混凝土的侵蝕狀況，可看出朝南的氯離子侵蝕最深，朝北最淺，比其他方向淺3.9 mm.歸因于在該地區(qū)的豎直平面，朝南面接受更多的日照，所以年平均溫度更高，見(jiàn)圖14.正因?yàn)楸灸Ｐ涂紤]了日照因素，故氯離子擴(kuò)散系數(shù)在朝南方向上相對(duì)較大.

圖13　20 a后的氯離子質(zhì)量濃度等值線Fig.13 Contour of mass concentration of chloride ion after 20 a

圖14　氯離子傳輸?shù)臏囟纫蛩谾ig.14 Influence of temperature on chloride ion transport

6　結(jié) 論

（1）該地區(qū)年平均氣溫為16.1 ℃，在日照作用下，混凝土結(jié)構(gòu)平均溫度為19.7 ℃.表面溫度年變化范圍為0.5～38.2 ℃，內(nèi)外最大溫差可達(dá)10 ℃.

（2）潮汐作用下，混凝土表面10 mm深度范圍內(nèi)的濕度場(chǎng)受干濕影響，形成對(duì)流區(qū)；10 mm以上深度處混凝土保持飽和狀態(tài)，為擴(kuò)散區(qū).

（3）氯離子呈冬夏快慢交替式傳輸，服役20 a后的氯離子侵蝕深度結(jié)果為：朝北52.2 mm，朝南56.1 mm.由于朝南全年日照輻射吸收量約為朝北的3倍，年平均溫度高2.8 ℃，侵蝕深度大3.9 mm.

（4）結(jié)果表明，混凝土配合比、鋼筋保護(hù)層厚度以及溫度效應(yīng)、干濕循環(huán)制度是影響混凝土耐久性壽命的主要因素.其中溫度效應(yīng)取決于環(huán)境溫度和日照條件，包括緯度、傾角、朝向；干濕循環(huán)制度取決于潮汐變化規(guī)律和計(jì)算高程.該模型可應(yīng)用于海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)中.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李春秋，李克非. 干濕交替下表層混凝土中氯離子傳輸：原理、試驗(yàn)和模擬［J］. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38（4）：581-589. Li Chunqiu，Li Kefei. Chloride ion transport in cover concrete under drying-wetting cycles：Theory，experiment and modeling ［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society，2010，38（4）：581-589（in Chinese）.

［2］ 劉春生，陳 雷，朱 涵. 氯鹽侵蝕環(huán)境下橡膠集料摻量對(duì)鋼筋混凝土梁耐久性的影響［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44（1）：40-45. Liu Chunsheng，Chen Lei，Zhu Han. Influence of crumb rubber proportion on durability of reinforced concrete beams exposed to chloride aggressive environment ［J］. Journal of Tianjin University，2011，44（1）：40-45（in Chinese）.

［3］ 丁紅巖，于 瑞，張浦陽(yáng)，等. 海上風(fēng)電大尺度預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，45（6）：473-480. Ding Hongyan，Yu Rui，Zhang Puyang，et al. Optimal design for prestress of large-scale bucket foundation for offshore wind turbine［J］. Journal of Tianjin University，2012，45（6）：473-480（in Chinese）.

［4］ 劉 潤(rùn)，李寶仁，練繼建，等. 海上風(fēng)電單樁復(fù)合筒型基礎(chǔ)樁筒共同承載機(jī)制研究［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2015，48（5）：429-437. Liu Run，Li Baoren，Lian Jijian，et al. Bearing characteristics of pile-bucket composite foundation for offshore wind turbine［J］. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2015，48（5）：429-437（in Chinese）.

［5］ 任志剛，胡曙光，丁慶軍. 太陽(yáng)輻射模型對(duì)鋼管混凝土墩柱溫度場(chǎng)的影響研究［J］. 工程力學(xué)，2010，27（4）：246-250，256. Ren Zhigang，Hu Shuguang，Ding Qingjun. Research on the effect of solar radiation model on temperature fieldof concrete-filled steel tube pier ［J］. Engineering Mechanics，2010，27（4）：246-250，256（in Chinese）.

［6］ 李錦萍，宋愛(ài)國(guó). 北京晴天太陽(yáng)輻射模型與ASHRAE模型的比較［J］. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，19（1）：37-40. Li Jinping，Song Aiguo. Compare of clear-day solar radiation model of Beijing and ASHRAE［J］. Journal of Capital Normal University：Natural Science Edition，1998，19（1）：37-40（in Chinese）.

［7］ Comite Euro-International du Beton. CEB-FIP Model Code 1990［S］. London：Thomas Telford，1993：68-69.

［8］ Grace W R. Chloride penetration in marine concrete—A computer model for design and service life evaluation［J］. Corrosion，1991，47（32）：1-19.

［9］ Bazant Z P，Najjar L J. Nonlinear water diffusion in nonsaturated concrete［J］. Material and Structures，1972，5（1）：3-20.

［10］ 王 建，戴會(huì)超，顧沖時(shí). 混凝土濕度運(yùn)移數(shù)值計(jì)算綜述［J］. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24（2）：85-89. Wang Jian，Dai Huichao，Gu Chongshi. Summary on numerical calculation of moisture transfer in concrete［J］. Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24（2）：85-89（in Chinese）.

［11］ 孫金陽(yáng). 混凝土濕潤(rùn)與干燥過(guò)程中水分傳輸規(guī)律研究［D］. 杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2012. Sun Jinyang. Research on Moisture Transport Under Wetting and Drying Conditions［D］. Hangzhou：School of Civil Engineering，Zhejiang University，2012（in Chinese）.

［12］ Saetta A V，Scotta R V，Vitaliani R V. Analysis of chloride diffusion into partially saturated concrete［J］. ACI Materials Journal，1993，90（5）：441-451.

［13］ Thomas M D A，Bentz E C. Life-365：Computer Program for Predicting the Service Life and Life-Cycle Costs of Reinforced Concrete Exposed to Chloride［M］. St Paul：Cortec Corporation，2001.

［14］ 張亮亮，趙艷青，楊 磊. 基于ANSYS的混凝土箱梁日照溫度應(yīng)力數(shù)值分析［J］. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31（增1）：177-180. Zhang Liangliang，Zhao Yanqing，Yang Lei. Analysis of solar radiation thermal stress of concrete box girders based on ANSYS［J］. Journal of Computer Applications，2011，31（Suppl 1）：177-180（in Chinese）.

［15］ 王傳坤，高祥杰，趙羽習(xí)，等. 混凝土表層氯離子含量峰值分布和對(duì)流區(qū)深度［J］. 硅酸鹽通報(bào)，2010，29（2）：262-267. Wang Chuankun，Gao Xiangjie，Zhao Yuxi，et al. Peak value distribution of surface chloride concentration and convection depth of concrete［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2010，29（2）：262-267（in Chinese）.

［16］ Hong K，Hooton R D. Effects of cyclic chloride exposure on penetration of concrete cover［J］. Cement and Concrete Research，1999，29（9）：1379-1386.

［17］ 劉 玉，杜榮歸，李 彥，等. 模擬混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕的氯離子臨界濃度測(cè)試［J］. 分析化學(xué)，2006，34（6）：825-828. Liu Yu，Du Ronggui，Li Yan，et al. Determination of the chloride threshold concentration for reinforcing steel corrosion initiation in simulated concrete pore solution［J］. Chinese Journal of Analytical Chemistry，2006，34（6）：825-828（in Chinese）.

（責(zé)任編輯：樊素英）

Chloride Ion Transport Model in Concrete Under Combined Influence of Marine Environment Factors

Lian Jijian，Zhang Jie，Wu Mudan，Wang Haijun
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：In order to clarify the various marine environment factors that affect the chloride ion erosion，by means of analyzing chloride ion erosion mechanism in reinforced concrete，chloride ion transport calculation model under the marine environment including sunshine，tide and temperature was established. Based on the convection-diffusion transmission model，this model was applied to dynamically coupling calculation of temperature field，humidity field and chlorine ion concentration field in the whole life cycle of concrete structures using finite difference method. In the model，the ASHRAE model was plugged in，and the differences of moisture diffusion and physical field boundary conditions in dry-wet process caused by tidal water level cycles were considered. The ratio of chloride ion to pore fluid was taken as concentration index. The calculated results of every module were validated by test data，and showed good agreement. The model may provide valuable references for marine concrete durability design.

Keywords：chloride ion；durability；marine environment；convection；diffusion

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0493-2137（2016）04-0333-08

DOI:10.11784/tdxbz201410001

收稿日期：2014-10-04；修回日期：2014-12-19.

基金項(xiàng)目：國(guó)家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51021004）；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012DFA70490）.

作者簡(jiǎn)介：練繼建（1965— ），男，博士，教授，fj_np@126.com.

通訊作者：張 杰，zhangjiewow@hotmail.com.