Cement Concrete Res：考虑毛细孔与凝胶孔的非饱和水泥基材料氯离子扩散系数的微结构模拟

文献速读

Cement Concrete Res：考虑毛细孔与凝胶孔的非饱和水泥基材料水泥石氯离子扩散系数的微结构模拟

题目

题目: Microstructure-based modelling of chloride diffusivity in non-saturated cement paste accounting for capillary and gel pores

考虑毛细孔与凝胶孔的非饱和水泥基材料水泥石氯离子扩散系数的微结构模拟

关键词

微观结构；孔隙溶液；电位；水分分布；格子玻尔兹曼方法

来源

出版年份：2023年

来源：Cement and Concrete Research

课题组：伦敦大学土木环境和地质工程系Mingzhong Zhang课题组

研究背景

混凝土是一种复杂的复合材料，由骨料、胶凝材料、空隙等基体构成，胶凝材料主要由硅酸盐水泥和辅助胶凝材料组成。由于其多孔性结构多孔性，混凝土容易受到来自于外部环境的侵蚀性物质，如离子、氧气和水等的影响可以通过水泥浆运输至混凝土中，导致混凝土结构的劣化。传输特性通常被认为是混凝土耐久性的重要指标，它直接控制着侵蚀性物质的进入。其中，氯化物扩散系数是钢筋混凝土结构耐久性评估和使用寿命预测的最关键参数。在实验室中，胶凝材料的氯离子扩散系数通常在饱和状态下测量，而实际混凝土结构由于自干燥和服务环境水分的变化而不饱和，氯扩散高度依赖于混凝土的水分含量和水分分布。然而，在实际混凝土结构中，由于自干燥和服务环境水分的变化，混凝土往往处于不饱和状态，氯离子的扩散行为高度依赖于混凝土的水分含量和水分分布。因此，研究氯离子在部分饱和胶凝材料中的扩散具有重要意义。

研究出发点

自然扩散试验已被广泛应用于测量波特兰和混合胶凝材料中的氯离子扩散率。然而，自然扩散试验非常耗时，对于含水饱和度较低的试样，需要几个月甚至几年的时间才能获得可靠的结果。此外，在整个测试过程中，试样的水分含量很难保持所需的饱和水平很难保持试样中所需的含水饱和度水平。

研究内容

本研究提出了一个综合框架，用于模拟氯离子在非饱和水泥浆体中的扩散，并且考虑了凝胶孔隙和双电层对氯离子扩散的影响。首先，通过使用水化硅酸钙（C-S-H）的三维微观结构和水泥浆体的HCSS算法和CEMHYD 3D模型，建立了分级孔隙网络模型，并应用经典的EDL理论计算了部分饱和C-S-H凝胶中氯离子在孔溶液中的平均扩散系数。此外，本研究提出了LB多相模型和LB扩散模型，用于模拟固液两相的扩散过程（水和气）的相互作用以及水和气相在毛细管和凝胶孔隙网络中的平衡分布。通过将模拟结果与文献中的实验数据进行比较，本研究探究了氯离子在不同水饱和度水泥浆体中扩散的机理。

图1 28d时w/c = 0.5水泥基材料石的（a）微观结构；（b）毛细孔网络；（c）毛细孔尺寸分布

图2 饱和胶凝材料纳米孔道中的双电层

图3 表面电位和氯离子浓度对C-S-H孔隙溶液中氯离子平均相对扩散系数的影响

图4 孔隙率为（a）0.19和（b）0.28的C-S-H在水饱和度为63%时沿着X方向的氯离子浓度的稳态分布

图5 相对氯离子扩散系数作为不同水灰比水泥浆体中水饱和度的函数

主要结论

在这项研究中，开发了一个综合的建模框架，以模拟水和气相的分布和氯离子扩散系数在非饱和水泥浆体与C-S-H的凝胶孔的各种w/c比和饱和度考虑的贡献，基于模拟结果与从文献获得的实验数据的比较，可以得出以下主要结论：

1、氯离子在孔隙溶液中的扩散系数与表面电位、溶液中氯离子浓度和孔隙尺寸有关。当孔径大于1 μm时，双电层对氯离子扩散系数的影响可以忽略不计。由于C-S-H孔溶液的孔径在1~6 nm之间，表面电位对氯离子在孔溶液中的扩散有很大的影响。C-S-H孔隙溶液中的模拟氯离子扩散系数为2.03 × 10⁻¹⁰m²/s，与水泥浆中实测氯离子扩散系数的反演分析得出的1.07 × 10⁻¹⁰m²/s接近。

2、C-S-H中氯离子的相对扩散系数随含水饱和度的降低而降低。孔隙率为19%和28%的不饱和C-S-H的脱渗发生在临界水饱和度分别为24%和21%时，对应于零氯离子扩散系数。非饱和C-S-H中氯离子相对扩散系数的变化趋势与C-S-H凝胶的有效充水孔隙率随含水饱和度的变化趋势具有良好的相关性。

3、氯离子在水泥浆体中的扩散系数与水饱和度有很强的相关性。氯离子在水泥浆体中的相对扩散系数随含水饱和度的降低经历了四个阶段，即C-S-H中连通的充水毛细孔、不连通的充水毛细孔和连通的充水凝胶孔以及连通的充水凝胶孔分别是主要的扩散通道，同时也是孔隙网络的解渗过程。

4、水灰比较大的水泥浆体中氯离子的相对扩散系数在急剧下降阶段对水饱和度的降低更为敏感，而在缓慢和轻微下降阶段，由于充水的毛细孔网络是氯离子扩散的主要通道，对氯离子在水灰比较大的水泥浆体中的扩散起着更为重要的作用。在给定的水饱和度水平下，水泥浆体中的相对氯离子扩散系数随着水灰比的减小而增大。氯离子在非饱和水泥浆体中扩散系数的模拟结果与文献中的实验数据在变化趋势上具有较好的一致性。

5、值得一提的是，本研究中，未考虑氯离子结合对水泥基材料微观结构和氯离子扩散系数的影响。然而，氯离子的结合会影响水泥基材料的结构和性能，因此在建模时应该考虑氯离子结合的影响。

本期编者简介

翻译：

罗盛禹          硕士生          深圳大学

审核：

李雪琪          硕士生          深圳大学

排版：

赖慈锋          硕士生          深圳大学

本期学术指导

何    闯          博士后       深圳大学

龙武剑          教    授       深圳大学

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107153