劉 澤

(天津新亞太工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300251)

0 前 言

每年冬季，我國北方的很多高速公路都會(huì)使用大量融雪劑清除路面兩側(cè)的積雪。氯鹽融雪劑的大量使用會(huì)造成混凝土構(gòu)件根部內(nèi)部鋼筋銹蝕或鹽結(jié)晶體積膨脹等而提前損壞?；炷镣繉臃雷o(hù)作為控制混凝土構(gòu)件腐蝕，延長構(gòu)件耐久性最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法之一，在工程上受到廣泛應(yīng)用。因此，混凝土涂層的抗氯離子性能也成為工程單位關(guān)心的問題。從促進(jìn)混凝土保護(hù)涂層產(chǎn)品發(fā)展、擴(kuò)大工程應(yīng)用的角度講，開展混凝土防腐涂層抗氯離子性能的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義及工程價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氯鹽環(huán)境下混凝土構(gòu)件涂層抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行過廣泛的研究。曹菲菲[1]用試驗(yàn)的方法，研究了硅樹脂涂層對(duì)混凝土試件的抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果顯示氯離子擴(kuò)散系數(shù)減少了80.84%，提高了混凝土的耐久性。谷坤鵬等[2]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂有環(huán)氧樹脂涂層的混凝土試件電通量大幅降低,對(duì)混凝土試件的抗氯離子侵蝕性能提高效果顯著。李偉華等[3]用試驗(yàn)的方法研究了不同氟碳涂層體系對(duì)海洋環(huán)境下混凝土抗氯性能的影響，結(jié)果顯示溶劑型氟碳涂層更適用于該環(huán)境下的混凝土防護(hù)工程。黃微波等[4]用試驗(yàn)的方法研究了聚氨酯涂層、聚脲涂層對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響，結(jié)果表明，2種涂層均可有效降低混凝土內(nèi)的氯離子濃度。韓建軍等[5]研究了通過在不同涂層中加入一定量改性納米SiO2提高混凝土涂層抗氯離子性能的方法。目前國內(nèi)外對(duì)涂層性能的研究主要采用試驗(yàn)的方法，通過制備不同配比、不同涂層的混凝土試件，進(jìn)行高低溫、凍融循環(huán)、抗氯離子性能等試驗(yàn)來獲得涂層的使用性能，工作量很大。本工作以混凝土涂層為研究對(duì)象，以涂刷混凝土涂層到混凝土失效為研究區(qū)間，定義氯離子滲入混凝土腐蝕鋼筋之前，混凝土層已出現(xiàn)剝落、松散的現(xiàn)象，便認(rèn)為此時(shí)的涂層已失效。在此前提下借助COMSOL軟件的多物理場耦合分析功能，模擬氯離子在涂層和混凝土內(nèi)部的輸運(yùn)過程，建立了不同擴(kuò)散系數(shù)和不同施工厚度的涂層性能分析模型，通過仿真技術(shù)研究了鹽環(huán)境下混凝土涂層的使用性能。

1 融雪劑對(duì)混凝土涂層性能影響

目前國內(nèi)常用的融雪劑主要分為氯鹽型、非氯鹽型、混合型3大類。氯鹽型融雪劑的主要成分為氯鹽，主要代表性物質(zhì)包括氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣等。非氯鹽型融雪劑包括無機(jī)鹽、胺、醇、乙酸鉀等[6]。非氯鹽型融雪劑以美國DOT公司于20世紀(jì)80年代研制的醋酸鈣鎂鹽為主要代表[7]。混合型融雪劑是將氯鹽型和非氯鹽型按照一定比例混合而成。3類融雪劑中，氯鹽類融雪劑價(jià)格相對(duì)最便宜，同時(shí)也是是使用歷史最長、使用規(guī)模最大的一類融雪劑[8]。

氯離子侵蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素之一[9]。位于寒區(qū)的高速公路，在冬季都要面臨降雪后的路面除雪問題，大量氯鹽融雪劑的使用，在實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)路面交通的同時(shí)，長時(shí)間堆積在路側(cè)的摻雜著融雪劑的積雪，由于氯離子的不斷擴(kuò)散滲入，產(chǎn)生積累效應(yīng)，導(dǎo)致路側(cè)混凝土護(hù)欄根部的提前破壞。防腐涂層因其對(duì)氯離子的阻隔作用，可以有效提高混凝土護(hù)欄的使用性能，因而在工程防腐上廣泛使用。但在氯鹽環(huán)境下，涂層與混凝土之間的粘結(jié)力也會(huì)逐漸降低，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致涂層脫落，從而使涂層喪失保護(hù)能力。

因此涂層的工程性能和壽命在一定程度上就表征了混凝土護(hù)欄的使用壽命。正確的評(píng)價(jià)涂層在氯鹽環(huán)境下的使用性能，是全面評(píng)價(jià)混凝土護(hù)欄在氯鹽環(huán)境中的使用狀況的前提。

2 混凝土防腐涂層抗氯離子性能分析

2.1 有限元模型

以2022年冬奧會(huì)交通保障的重點(diǎn)工程延崇高速公路上的混凝土護(hù)欄為研究對(duì)象，該混凝土護(hù)欄也是河北省高速公路采用的典型混凝土護(hù)欄模型，如圖1所示，圖中的深色邊界為氯離子滲透面。

護(hù)欄最寬處為50.89 cm，高71.79 cm?；炷磷o(hù)欄表面保護(hù)層厚度36 mm，護(hù)欄內(nèi)鋼筋縱筋直徑16 mm，橫筋直徑8 mm，模型取長度為200 cm。對(duì)護(hù)欄采用自由四面體網(wǎng)格剖分方法處理，如圖2所示。

由于在實(shí)際工程中，護(hù)欄靠近滲透面的部分及護(hù)欄根部常為氯鹽融雪劑聚集處，為得到更加精確的計(jì)算結(jié)果，故對(duì)2部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。模型共劃分域單元384 254個(gè)，平均單元質(zhì)量0.514 1，如圖3所示。

2.2 模型參數(shù)的校對(duì)

混凝土為典型的多孔結(jié)構(gòu)，選擇COMSOL中的多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞物理場模塊，模擬氯離子在混凝土內(nèi)的輸運(yùn)過程。

考慮到氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸機(jī)理以及涂層在服役期間的性能變化的復(fù)雜性，為了更好地模擬涂層的性能變化過程，模型假設(shè)：

(1)大多數(shù)情況下，氯離子在混凝土內(nèi)的輸運(yùn)以擴(kuò)散機(jī)制為主，故本工作選取氯離子擴(kuò)散為主要輸運(yùn)機(jī)制。

(2)氯離子在輸運(yùn)過程中性質(zhì)穩(wěn)定，不存在成分不均勻、化學(xué)反應(yīng)等情況。

離子輸運(yùn)過程瞬態(tài)方程及氯離子在混凝土內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)De,j的方程用COMSOL內(nèi)置方程進(jìn)行描述。

氯離子在混凝土內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)De,j為：

(1)

DF,i為流體擴(kuò)散系數(shù)，即氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；τF,j為Bruggeman模型對(duì)孔隙率εp修正值，具體計(jì)算：

τF,j=εp-1/2

(2)

De,j中的重要參數(shù)流體擴(kuò)散系數(shù)DF,i，本工作選用多因素法[10]模型進(jìn)行確定：

DF,i=D28·F1(t)·F2(T)

(3)

D28為混凝土齡期為28 d時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，根據(jù)Life - 365程序，D28與混凝土的水灰比(W/C)有關(guān)：

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

(4)

根據(jù)Martin - Perez等[11]的論述：

F1(t)=(tref/t)m

(5)

t為混凝土齡期，d；tref為參考時(shí)間，d；m為衰減系數(shù)，根據(jù)Mangat等[12]的論述，m與水灰比有關(guān)：

m=3×(0.55-W/C)

(6)

根據(jù)阿倫尼斯定律，Martin - Perez等[11]和Kong等[13]的建議:

(7)

E為氯離子擴(kuò)散過程中的活化能，kJ/mol。根據(jù)Xi等[14]的論述，當(dāng)水灰比為0.4，0.5，0.6時(shí)，E取41.8，44.6，32.0 kJ/mol；R為通用氣體常數(shù)，J/(K·mol)；Tref為確定D28時(shí)的參考溫度，K；T是實(shí)際溫度，K。

有涂層護(hù)欄的多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞中的邊界條件有3種不同的類型，濃度邊界條件適用于圖1中的深色邊界，其表達(dá)式為:

ci=c0,i

(8)

除深色邊界外，圖1中其他所有邊界均為絕緣邊界。

采用變邊界模型中的對(duì)數(shù)時(shí)變模型[15]描述鋼筋混凝土表面氯離子濃度參數(shù)c0,i的變化情況：

c0,i=c0+α·lnt

(9)

c0為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(1 a或28 d)的表面氯化物濃度，mol/m3；α為恒定值0.306 1；t為混凝土齡期，d。

大多數(shù)情況下，混凝土護(hù)欄在涂刷了一定厚度的涂層后，能夠明顯減緩氯鹽的滲透率，因此在本模型中選擇了薄擴(kuò)散阻隔邊界條件來描述涂層的邊界狀態(tài)。

本研究中采用的混凝土護(hù)欄的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：水灰比W/C=0.4，參考時(shí)間tref=28 d，衰減系數(shù)m=0.45，活化能E=41.8 kJ/mol，通用氣體常數(shù)R=8.314 J/(K·mol)，參考溫度Tref=296 K，實(shí)際溫度T=293.15 K，混凝土孔隙率εp=4%，28 d的表面氯化物濃度c0=1.358 mol/m3，恒定值α=0.306 1。

2.3 不同涂層的氯離子擴(kuò)散情況對(duì)比

將沒有刷涂涂層的鋼筋混凝土作為模型1，并選擇目前市場上常見混凝土的4種不同涂層類型，根據(jù)表1中的模型2，取氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)，對(duì)比分析了不同類別涂層對(duì)氯離子的阻擋作用。本工作選擇了涂層的擴(kuò)散系數(shù)表征不同涂層的防腐性能。根據(jù)鐘世云等[16]的研究成果，4種涂層擴(kuò)散系數(shù)為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單層漆膜，大多采用多層涂刷，其防護(hù)性能明顯優(yōu)于單層。但具體的經(jīng)濟(jì)厚度往往只能憑借經(jīng)驗(yàn)確定。本研究在參考了大量的工程數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)防腐工程的涂層厚度都在0～2 mm之間。因此本研究建立了0～2 mm厚度的涂層抗氯離子性能分析模型。如表1中的模型3所示。

表1 模型變化參數(shù)

模擬過程采用的瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間從混凝土養(yǎng)護(hù)成形的30～180 d，2 d為1個(gè)時(shí)間步長，圖4～圖11分別為涂刷氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)混凝土護(hù)欄在30 d和180 d的氯離子分布情況。圖4～圖11從宏觀上顯示出涂刷4類涂層后的混凝土護(hù)欄內(nèi)的氯離子分布的差別。可以看出在第30,180 d時(shí)，涂刷4類涂層的混凝土護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度梯度幾乎相同，且在混凝土護(hù)欄的根部均出現(xiàn)了不同程度的氯離子聚集現(xiàn)象。將涂刷4類涂層的混凝土護(hù)欄第30 d的氯離子分布情況進(jìn)行比較可以看出，初始時(shí)刻的混凝土表面的氯離子濃度相差不大。但將涂刷4類涂層的混凝土護(hù)欄第180 d的氯離子分布情況進(jìn)行比較可以明顯看出，涂有擴(kuò)散系數(shù)最大的CPE涂層的混凝土護(hù)欄內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的氯離子滲透現(xiàn)象，且涂有4類涂層的混凝土護(hù)欄在護(hù)欄表面的氯離子濃度也已經(jīng)有了明顯的區(qū)別。從圖上來看，涂層的擴(kuò)散系數(shù)越小，涂有該涂層的護(hù)欄表面的氯離子濃度越小。

圖4～圖11直觀地展示了護(hù)欄內(nèi)部整體的氯離子濃度的分布情況，由于是整體展示，對(duì)于局部的濃度變化情況的細(xì)節(jié)展示有困難，而且展示出的天數(shù)有限，因此采用曲線圖對(duì)濃度變化的細(xì)節(jié)進(jìn)行展示。如圖12～圖15所示。

圖12～圖15表示涂刷擴(kuò)散系數(shù)為2.8×10-14，4.3×10-15，1.4×10-15，1.2×10-16m2/s的混凝土涂層的護(hù)欄內(nèi)部同一條線在第30，62，94，126，158 d的氯離子濃度變化情況。將圖中涂刷擴(kuò)散系數(shù)的涂層的混凝土護(hù)欄在同一天氯離子濃度進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著涂層擴(kuò)散系數(shù)的降低，護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減少；而且相互之間的氯離子濃度差距很大，幾乎成數(shù)量級(jí)向下遞減，說明涂層的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)涂層的防護(hù)能力影響很大。

將涂刷有上述4種涂層的護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度與表2中的模型1的計(jì)算結(jié)果，即圖16所示的無涂層的護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由表2發(fā)現(xiàn)氯離子濃度至少減少28%，75%，90%，98%，可以看出擴(kuò)散系數(shù)為1.2×10-16m2/s的氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)涂層效果更好。

2.4 混凝土涂層厚度對(duì)護(hù)欄內(nèi)氯離子濃度的影響

影響涂層防腐性能的另一個(gè)主要因素就是涂層的厚度，這個(gè)問題也是工程施工中重點(diǎn)考慮的問題。

圖17表示涂刷涂層厚度為0～2 mm之間的混凝土涂層的護(hù)欄內(nèi)部一點(diǎn)在62，94，126 d的氯離子濃度變化情況。將圖中涂刷不同厚度的涂層的混凝土護(hù)欄在同一天氯離子濃度進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著涂層厚度的增加，護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減小。這是由于涂層厚度的增加，導(dǎo)致氯離子在涂層滲透的時(shí)間更長，因而進(jìn)入護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度更小。

進(jìn)一步觀察圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著氯丁乳液涂層(CR)厚度的增加，氯離子濃度減少的趨勢逐漸變緩。圖中的星號(hào)點(diǎn)為涂層的“最優(yōu)點(diǎn)”，可以看出在氯丁乳液涂層(CR)厚度為0.738 9 mm以后，曲線已接近水平，說明此點(diǎn)后涂層厚度的增加對(duì)護(hù)欄內(nèi)氯離子濃度的影響并不明顯。結(jié)合圖17中曲線，可以看出最佳氯丁乳液涂層(CR)厚度在0.305 8～0.738 9 mm之間。在實(shí)際工程中，混凝土防腐涂層單層涂刷的常見厚度在70 μm左右，結(jié)合圖中曲線，最佳涂刷遍數(shù)在5～10遍。在延崇高速公路混凝土護(hù)欄上涂刷厚度為0.5 mm，涂刷遍數(shù)為6～7遍，經(jīng)過3個(gè)冬季的使用，在積雪融化后，混凝土護(hù)欄根部未出現(xiàn)剝落、起皮等病害問題，涂層與混凝土的結(jié)合性能保持完好。這也證明了仿真結(jié)果的可靠性。

3 結(jié) 論

借助COMSOL有限元軟件模擬了混凝土防腐涂層在融雪劑(氯鹽)環(huán)境下，對(duì)氯離子擴(kuò)散的阻擋過程，對(duì)比分析了氯丁乳液涂層(CR)涂層在不同厚度下的抗氯性能。主要結(jié)論如下：

(1)混凝土防腐涂層大幅度降低了融雪劑中的氯離子對(duì)護(hù)欄內(nèi)的侵蝕作用，對(duì)混凝土耐久性的提高起到了促進(jìn)作用。

(2)氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)、氯化聚乙烯涂層(CPE)、氯丁乳液涂層(CR)、氯偏乳液涂層(PVDC)4種涂層的抗氯性能對(duì)比，從擴(kuò)散系數(shù)單因素考察，氯化聚氯乙烯涂層(CPVC)效果最好。

(3) 涂層厚度的改變顯著影響混凝土護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度的分布。隨著厚度的增加，護(hù)欄內(nèi)的氯離子濃度逐漸減小。但增加到一定厚度后，在一定服役時(shí)間內(nèi)，厚度的增加對(duì)抗氯性能的提高作用就不再顯著，存在經(jīng)濟(jì)厚度。