哈尔滨工业大学(深圳)刘铁军教授混凝土顶刊CCR中科院一区TOP期刊:考虑自由面水蒸发的隧道衬砌混凝土单向硫酸盐侵蚀数值建模
考虑自由面水蒸发的隧道衬砌混凝土单向硫酸盐侵蚀数值建模
出版年份：2025
来源：Cement and Concrete Research
课题组：哈尔滨工业大学刘铁军教授
硫酸盐侵蚀；隧道衬砌混凝土；水蒸发；结晶压力；数值建模
在富含硫酸盐的环境中，隧道衬砌表面常观察到严重的剥落和崩解。由于湿度梯度，岩体裂隙中的硫酸盐溶液通过毛细作用迁移至混凝土暴露面，导致在自由面区域发生物理结晶沉淀，在迎土面区域发生化学硫酸盐侵蚀，从而引起混凝土膨胀和开裂。现有模型主要关注全浸泡或干湿循环条件，在预测类似部分浸泡下的混凝土损伤时存在明显误差。考虑到饱和度、孔隙率、钙溶出和裂缝的时变特性，本文建立了一个考虑双重硫酸盐侵蚀和水蒸发的衬砌混凝土传输-反应-膨胀模型。揭示了物相组成的时空分布以及建模参数对混凝土膨胀的影响。讨论了由双重硫酸盐侵蚀和水蒸发区变化引起的膨胀应变。这些发现为富含硫酸盐环境中衬砌混凝土的耐久性设计提供了理论基础。
盐渍土、盐湖和地下水中含有大量侵蚀性离子，特别是硫酸根离子，导致服役于这些环境的混凝土结构过早劣化，例如地下室墙、桥墩和桥台、楼板以及隧道衬砌等结构表面出现严重剥落和崩解。硫酸盐侵蚀通常分为“物理硫酸盐侵蚀”和“化学硫酸盐侵蚀”，大量研究集中于后者。近几十年来，双重物理和化学硫酸盐侵蚀对建筑材料和结构的影响问题受到越来越多的关注和重视。与全浸泡环境中的单一化学硫酸盐侵蚀相比，部分浸泡和干湿循环环境中的非饱和混凝土，由于地下水位的季节性波动和湿度变化，遭受双重物理和化学硫酸盐侵蚀，这大大加速了混凝土的劣化速率。同时，隧道衬砌对重大基础设施发展至关重要，但面临严重的硫酸盐侵蚀问题。Fala隧道、瑞士隧道和重庆公路隧道的使用寿命因硫酸盐侵蚀而大大缩短，造成了重大经济损失。
图1展示了硫酸根离子在隧道衬砌混凝土中的迁移和反应示意图。隧道衬砌混凝土的迎土面侧直接接触来自岩体裂隙的侵蚀性溶液，盐水通过毛细作用进入混凝土并传输至暴露表面。在此过程中，硫酸根离子与水泥水化浆体发生化学反应，形成石膏或钙矾石，产生膨胀应变，同时伴有钙溶出，导致混凝土软化和开裂。然而，现场调查表明，迎土面侧的劣化不易观察，而在自由面常观察到严重的结晶和剥落。这是因为混凝土暴露面的湿度与外部环境不同，形成了水蒸发区。在该区域，盐分以过饱和状态从孔隙中结晶析出，形成芒硝与十水芒硝之间的可逆相变。这些晶体在蒸发面孔隙内沉积和生长，引起类似于冻融循环的表面剥落，严重影响隧道衬砌混凝土的使用寿命和安全性。因此，建立一个综合考虑双重硫酸盐侵蚀和水蒸发对隧道衬砌混凝土影响的数值模型，以评估其使用寿命和进行定量耐久性设计，至关重要。针对硫酸盐侵蚀问题，已开展了大量的数值模拟研究。大多数现有模型包括传输过程、化学反应、膨胀发展和力学劣化。对于完全浸泡的饱和混凝土，Tixier和Mobasher基于菲克第二定律和化学反应动力学，提出了一个考虑传输过程和化学反应的硫酸盐侵蚀模型。Qin等人开发了一个传输-化学-损伤模型，考虑了温度、时变孔隙率等参数，并采用体积增加理论计算混凝土膨胀应变。类似地，Yin等人也基于体积增加理论建立了硫酸盐侵蚀模型，以讨论混凝土开裂滞后于离子扩散和化学反应的现象。尽管体积增加理论简单，但尚未得到充分实验数据的验证。相反，结晶压力理论认为膨胀是由晶体对孔壁的结晶压力引起的，并在已发表文献中被推荐应用。对于非饱和混凝土，一些学者基于Richard方程或菲克第二定律建立了硫酸盐侵蚀模型，综合考虑了水传输、化学反应、对流效应和损伤。由于化学和物理硫酸盐侵蚀的贡献原因尚不明确，现有研究通常采用线性叠加或忽略物理侵蚀效应，导致膨胀损伤的计算结果不准确。此外，这些模型仅适用于经历干湿循环的非饱和混凝土表面，并不适用于类似部分浸泡（一侧硫酸盐侵入，另一侧水蒸发）的非饱和混凝土。尽管Fu等人已建立了隧道衬砌混凝土的硫酸盐侵蚀模型，但它仍属于干湿循环范畴。总之，当前模型主要适用于全浸泡或干湿循环条件下，硫酸盐侵蚀从外到内对混凝土表面的劣化行为，未能充分考虑隧道衬砌混凝土在单向硫酸盐侵蚀和水蒸发双重作用下的复杂劣化过程。针对这些问题，本研究框架如图2所示。第2节全面分析了硫酸盐侵蚀的关键过程，并建立了隧道衬砌混凝土的传输-反应-膨胀模型。第3节利用现有实验数据验证了模型的准确性和适用性。第4节探讨了材料和环境参数、水蒸发区、膨胀应变分布以及本模型对不同湿度传输系数的敏感性。本研究旨在建立一个综合考虑双重硫酸盐侵蚀和水蒸发对隧道衬砌混凝土影响的数值模型，以评估其使用寿命并进行定量耐久性设计。整体研究框架如图2所示，主要包括以下部分：
传输过程： 建立了描述混凝土中水传输（基于达西定律和湿度传输系数）、离子传输（考虑化学势梯度和饱和度梯度驱动的扩散与对流）、化学反应（硫酸根离子与水泥水化产物反应生成石膏和钙矾石）、钙溶出（基于固-液平衡曲线描述CH和C-S-H的溶解）以及物理结晶（水蒸发区硫酸钠结晶析出）的控制方程。传输-反应模型： 基于代表性单元体积理论，推导了以孔隙溶液离子浓度为变量的质量守恒方程，并给出了相应的初始条件和边界条件。定义了考虑初始孔隙率、饱和度、时变孔隙率和裂缝扩展影响的离子扩散系数。膨胀模型： 基于结晶压力理论，计算了化学侵蚀产物（钙矾石）和物理结晶产物（十水芒硝）产生的结晶压力。通过考虑孔溶液应力和结晶压力引起的微观膨胀应变，并计及混凝土骨料和水泥浆体组成以及化学损伤导致的体积模量退化，最终转换为线性应变以计算宏观膨胀。使用COMSOL Multiphysics有限元软件实现所建立的耦合模型。膨胀应变验证： 将模型预测的膨胀应变与Wang等人（采用单向渗透法）以及Hossack和Thomas（全浸泡法）的实验数据进行对比，验证了模型在考虑水蒸发和全浸泡条件下的准确性。膨胀产物分布验证： 比较了模型预测与Wang等人实验中石膏和钙矾石在试件内的分布趋势，两者吻合良好，验证了化学反应假设和模型的有效性。基于已验证的模型，通过控制变量法，分析了硫酸盐溶液浓度、水灰比、水蒸发区特性、应变分布以及湿度传输系数对隧道衬砌混凝土膨胀行为的影响。本研究针对隧道衬砌混凝土的实际劣化情况和现有模型的局限性，建立了一个创新的传输-反应-膨胀模型，该模型考虑了双重硫酸盐侵蚀和暴露面水蒸发的影响。分析了环境和材料参数对膨胀发展的影响。讨论了膨胀应变分布、水蒸发区变化以及水传输系数对硫酸根离子浓度和膨胀速率的关键作用。主要结论如下：
（1）该数值模型整合了水传输、离子传输、化学反应和物理结晶等关键过程，并考虑了时变饱和度、孔隙率变化和裂缝发展的影响。模型在水蒸发和全浸泡条件下的准确性和可扩展性得到了验证，使其适用于评估地下室墙、楼板、隧道衬砌和挡土墙在双重硫酸盐侵蚀下的劣化。（2）衬砌混凝土的自由面区出现芒硝结晶产物，而迎土面区则生成钙矾石和石膏等膨胀产物，膨胀应变发展呈现三个阶段。提高溶液浓度和水灰比会加剧膨胀发展速率。水蒸发是隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀模型中的一个重要因素。（3）随着饱和度分布的变化，在暴露面附近形成了水蒸发区，其扩展速率先增后减。这导致硫酸根离子沉淀并对毛细孔壁施加显著的结晶压力，使得自由面区的微观应变大于迎土面区。变化的湿度传输系数显著影响蒸发速率，进而影响水蒸发区的硫酸根离子浓度和膨胀速率。尽管本研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性，为未来研究开辟了道路：（1）假定的化学反应比例系数与饱和度之间的关系需要通过实验验证。（2）未来的工作中应考虑围岩压力和暴露面碳化的影响。文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2025.107813
翻译：
陈思柔 硕士生 西北农林科技大学
审核：
李 黎 副教授 西北农林科技大学
排版：
陈思柔 硕士生 西北农林科技大学
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