Page 123 - 水利学报2021年第52卷第5期

L

y

O
x L
图 2 混凝土几何模型与网格划分

结构，基于符合 Fuller 级配的骨料粒径分布，在细微观尺度上建立了二维三相的混凝土模型。如图 2
所示，该模型边长为 100 mm，所有圆形区域代表半径为 1.5 ~ 10 mm 的骨料，每个骨料外面的薄层代
表 ITZ，剩余部分为砂浆，骨料体积分数为 50%，ITZ 的厚度为 40 μm。骨料因其高度致密性而被假
设是不可渗透的（D =0），仅砂浆和 ITZ 被划分网格。ITZ 远比砂浆要疏松多孔，物质在 ITZ 中的扩散
agg
系数是在砂浆中的 2 ~ 15 倍 ［32］ 。需要注意的是，在实际中混凝土中的骨料形状并非是正圆形的 ［33］ 。有
关骨料形状的影响，前期研究发现在由电迁移过程占主导地位的传输过程中，骨料形状对于离子传
输会产生一定影响 ［34］ 。但考虑到首先本文不存在外加电场，离子的电迁移过程相对弱化，骨料形状
对离子传输的影响相对较小；其次本文主要侧重于研究多离子间电化学耦合效应和对流作用对氯传
输的影响，为便于计算，本研究中采用含圆形骨料的混凝土几何模型。
本研究将混凝土中水分-多离子的耦合传输视为一个二维问题。在混凝土暴露面处（x=0，y∈
（0，L）），水分和离子在干/湿过程中将采用不同的边界条件：在干燥过程中，水分能够在暴露面处进
行交换而离子不能进出界面；在湿润过程中，混凝土暴露面重新接触到外界的侵蚀性溶液，表层孔
隙立即达到饱和状态，孔隙液内的自由离子浓度与侵蚀性溶液中的离子浓度相等。混凝土其他面被
密封以隔绝水分和离子的传输，均采用零通量的边界条件。整个干湿交替过程中不外加任何电场和
电流。各个变量的边界条件和初始条件如表 1 所示。

表 1 干湿交替下混凝土中不同变量的边界条件和初始条件

变量 θ K + Na + Cl - OH - Φ
干燥 θ d J K=0 J Na=0 J Cl=0 J OH=0 0
x=0 s
湿润 1 C C s C s C s 0
K Na Cl OH
x=L J θ=0 J K=0 J Na=0 J Cl=0 J OH=0 0
y=0 J θ=0 J K=0 J Na=0 J Cl=0 J OH=0 J Φ=0
y=L J θ=0 J K=0 J Na=0 J Cl=0 J OH=0 J Φ=0

t=0 θ 0 C K 0 C Na 0 C Cl 0 C OH 0 0
2.4 模型验证 本研究通过以下两个案例来验证所提出模型的可靠性。

案例一：Sergi 等 ［35］ 通过试验研究了湿润过程混凝土中水分和多离子的传输。在他们的试验中，
初始时混凝土是不饱和的并且含有钾离子（100 mol/m）、钠离子（285 mol/m）和氢氧根离子（385 mol/m ）。
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3
然后将试块的一个表面浸没在 1 mol/L 的氯化钠溶液中，其他表面用石蜡封住，100 d 后取出试块测量
氯离子和氢氧根离子的浓度。
案例二：Sun 等 ［36］ 设立了 4 种类型的试验条件研究干湿循环下水分和氯离子在混凝土中的传输。
试验中，混凝土的尺寸为 100 mm×100 mm，测试时间为 140 d。最后，通过选择电极测量混凝土指定
深度的氯离子含量。本文选取了两种类型的试验条件来验证模型在求解干湿循环氯离子传输问题的
可靠性：TC-1，浸没在 3.5%的氯化钠溶液中，持续 140 d；TC-2，先干后湿，干燥时暴露在大气环
境中，湿润时浸没在 3.5%的氯化钠溶液中，1 个循环为 14 d，干湿时间比为 13∶1，共 10 个循环。

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