钢-砂浆界面水分传输的观测与细观模拟

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Observation and mesoscale simulation of moisture transport at the steel-mortar interface

　　

摘要 沿钢筋混凝土界面的水分渗透是劣化介质的关键通道。本研究通过结合可视化实验与基于三维刚体弹簧模型（RBSM）管道模型的数值分析的综合方法，探讨了水分传输机制，该模型能够显式考虑细观异质性。为建立严格定义的烘干基准，采用X射线CT成像技术捕获了碳酸铯水溶液在100°C预干燥试件中的渗透分布曲线，同时利用水分指示剂对纯水进行观测。结果表明，水分传输行为受溶液性质和水灰比（w/c）的双重控制。值得注意的是，与纯水相比，铯溶液沿钢筋-砂浆界面表现出更明显的绕流行为。此外，较低的水灰比被发现会加剧界面与砂浆内部水分传输之间的相对反差。为定量评估这些现象，RBSM管道模拟在钢筋周围设置了一个宏观壁效应区。通过校准模拟中界面区的扩散系数，成功再现了界面处特征性的水分传输行为。所得系数约为纯水在素砂浆中扩散系数的5倍，铯溶液为20至40倍。这些结果展示了该模型评估受干燥历史和溶液性质影响的传输行为的能力。

引言 水分侵入钢筋混凝土会引发多种劣化机制，如钢筋锈蚀、碱-硅酸反应（ASR）和冻融损伤，这些都显著损害结构的耐久性和使用寿命[[1], [2], [3]]。在这些劣化中，钢筋锈蚀对结构安全最为关键。该劣化过程的驱动因素在于：混凝土中的水分促进了氯离子等侵蚀性化学介质的侵入，碳化随后破坏了钢筋的保护层，从而允许水分和氧气持续供应[4]。因此，全面了解水分行为对于监控和控制钢筋混凝土结构劣化的起始和发展至关重要。

混凝土中的裂缝和钢筋混凝土界面是容易受到腐蚀的脆弱部位。钢筋周围的界面过渡区（ITZ）由于内部开裂和泌水形成孔隙而具有更高的孔隙率[5]。此外，在混凝土浇筑过程中，钢筋充当物理屏障，阻止骨料的紧密堆积，这一现象称为壁效应[6]；这进一步加剧了界面的高孔隙率和异质性。已知较高的腐蚀速率与孔隙率增加相关，孔隙内的水分状况对腐蚀过程有显著影响[7]。此外，这些脆弱区域的渗透性高度依赖于预处理历史，如干燥温度。经受高温干燥的砂浆由于其孔结构的脱水与粗化而具有较高的扩散系数。然而，对钢筋混凝土界面渗透性的影响更为深远。因为刚性钢筋限制了周围砂浆的热变形和干燥收缩，从而产生了显著的局部应力。这诱发了微裂纹，严重损害了界面[8]。事实上，即使在涉及50°C标准干燥温度的带裂缝钢筋混凝土的水分渗透试验中，也观察到裂缝在接触水分后迅速充满，随后水分沿钢筋-砂浆界面快速迁移[9]。

为了评估混凝土中的水分行为，历史上采用了各种破坏性方法。例如，在指定浸泡期后劈开试件，可用水分指示剂目视评估水分渗透深度[10]。然而，此类技术仅限于提供特定劈开表面的信息，本质上无法捕捉材料内部复杂的三维水分分布。近年来，射线照相技术越来越多地用于可视化单个试件内三维时间依赖的水分分布[9,[11], [12], [13], [14], [15]]。该技术已被用于研究不仅素混凝土，还包括涉及钢筋或裂缝的更复杂情况。例如，已确认中子束可以用于成像加固砂浆试件，效果与素试件相同。此外，涉及带裂缝试件的射线照相实验表明，水分渗透沿钢筋-砂浆界面迅速推进[12]。尽管中子射线照相允许对水进行如此高选择性的观察，但所需设备规模庞大，此类设施的访问仍然有限。相比之下，X射线计算机断层扫描（CT）是一种更易获取的三维可视化技术；然而，标准X射线成像由于水与水泥基质之间低衰减对比度，难以清晰区分纯水渗透。作为一种克服此问题的特定方法，高对比度渗透剂（碳酸铯水溶液）已被研究并证实有效[16,17]。

与这些实验方法同时，混凝土中水分传输的数值分析是通过利用既定的理论框架来获取复杂水分迁移模式详细信息的便捷手段。除了水分传输本身的模拟，利用有限元方法（FEM）和刚体弹簧模型（RBSM）还进行了氯离子扩散和其他相关现象的数值分析。基于FEM的研究示例包括将混凝土视为由砂浆、骨料和界面过渡区组成的三相复合材料，以研究界面过渡区对水分行为的影响[18]。此外，FEM已被用于评估混凝土基质中水分三维非饱和传输[19]。虽然FEM用于裂缝混凝土中的细观氯离子扩散和毛细管吸水[20]，但由于FEM通常设计用于连续介质力学，它在离散方法（如显式建模裂缝及其对质量传输影响的模型）中面临固有的局限性。此类连续介质模型难以显式表示由严重高温干燥引起的极端异质性和高度局部化的绕流水分迁移。

作为一种替代方案，包括RBSM在内的格子模型或管道模型正越来越多地被使用。这些模型具有高度优势，因为它们能够在细观尺度上显式耦合结构不连续性和质量传输，即使在评估高温干燥引起的极端损伤状态时也是如此。RBSM将连续体离散化为许多刚性单元，通过传递力的弹簧连接，从而允许精确分析裂缝的起始和发展[21]。在质量传输分析的背景下，这些弹簧被替换为管道，便于将管道视为迁移通道的计算[22]。各种物质的建模工作通过多种方法不断取得进展。例如，Singla的模型有效地再现了裂缝混凝土中的水分传输[23]。Wang L.开发了一个二维模型来研究氯离子迁移[24]。在此基础上，Nakamura等人模拟了裂缝行为和腐蚀产物的传输[25]。Pan已成功实现了混凝土碳化的细观三维格子建模[26]。

由于机制的复杂性，混凝土中的水分传输受到的研究人员关注相对有限，大多数研究主要聚焦于湿润过程中的二维分析[14]。基于Nagai等人[27,28]的基础工作，Ren等人提出了基于格子建模原理的三维RBSM管道模型[29,30]。该模型的一个关键特性是，它能够根据材料中每个离散点的局部水分水平和当前干湿状态，持续且动态地更新水分传输参数。这一功能允许水分传输速率在空间和时间上动态更新，从而显著增强了水分传输模拟的灵活性和精确性。此外，该模型能够在多种条件下进行综合分析，包括a）单次干湿过程，b）局部湿润，以及c）循环干湿过程。它提供了混凝土基质内复杂三维水分分布的更准确表示，其可靠性和精确性已通过实验结果的对比进行了严格验证[29,30]。

为了应对理解水分迁移机制的挑战，本研究采用了一种结合可视化实验和数值分析的综合方法。实验上，使用在100°C干燥的试件来观察钢筋-砂浆界面的水分迁移。采用这种特定的预处理是为了建立一个严格定义的烘干基准作为初始边界条件[8]。在如此严重的高温干燥条件下，已知钢筋-砂浆界面相比于整体砂浆会形成高度异质的传输场[6]。为了捕捉局部传输行为的变化并量化严重干燥对渗透分布和扩散速率的影响，实施了一个采用两种不同可视化技术和不同渗透液体的实验装置。碳酸铯水溶液被用作渗透剂进行X射线CT三维观察，以避免使用纯水时低对比度的问题。同时，通过在劈开截面上使用水分指示剂直接可视化纯水的渗透。虽然本研究的主要重点是阐明钢筋-砂浆界面的渗透行为，但比较纯水和具有高黏度、反应性的碳酸铯溶液的行为也能使得研究溶液性质相对于砂浆孔隙结构的具体影响成为可能。

数值分析与实验同步进行，以适当评估上述极端异质性对局部水分传输的影响。通过应用Ren等人开发的上述三维RBSM管道模型[29,30]，通过将钢筋-砂浆界面与砂浆分别赋予不同的扩散系数来分析局部水分传输。

本研究的最最终目标是在高温干燥条件下定量评估界面处的扩散系数。此外，通过分析两种不同溶液的渗透行为，本工作还阐明了溶液性质与孔隙结构之间的相互作用如何影响水分侵入钢筋混凝土。

章节摘要

实验水分渗透方法 吸水试验中制备了圆柱形砂浆试件（Φ50 × 100 mm），采用三种不同的水灰比（w/c）：0.4、0.5和0.6。砂灰比（s/c）保持在2.5。为阐明钢筋对水分传输的影响，将中心嵌入的D10变形钢筋的有无作为关键实验参数。钢筋采用原状使用，表面保留完整的轧制氧化皮且无明显锈蚀，且

素砂浆中的水分渗透 为了阐明素砂浆试件中水分锋面的时间进程，图4和图5分别使用X射线CT成像技术对碳酸铯水溶液和水分指示剂对纯水，叠加了以特定时间间隔获得的渗透数据。在这些图中，每条彩色线代表特定浸泡时间下的渗透分布曲线。对于碳酸铯水溶液，这些叠加的线追踪了单个试件内随时间变化的进程。

钢筋对水分传输影响的建模和理论分析 在本节中，进行数值模拟以进一步了解湿润过程中钢筋混凝土中的水分传输行为。通过将模拟结果与上述实验中素砂浆和加固砂浆试件获得的独立实验数据进行对比，验证了所使用的数值模型的有效性。

具体而言，首先通过校准模拟来估算砂浆基质的水分扩散系数

结论 本研究采用了一种综合方法，结合实验可视化与数值模拟，阐明了100°C干燥条件下加固砂浆中的水分传输行为，特别是钢筋-砂浆界面处的行为。具体而言，使用X射线照相（以碳酸铯溶液作为渗透剂）和水分指示剂（以纯水作为渗透剂）可视化水分渗透分布曲线，以研究溶液性质的影响。通过

作者贡献声明 Kodai Ueda：原创初稿撰写、可视化、调查、形式分析。Dawei Ren：写作-审阅与编辑、软件、方法学、形式分析。Keitai Iwama：写作-审阅与编辑。

长井馨：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、经费获取、概念设计。

利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢：本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究基金项目（编号：JP25K23468 和 JP26H02151）的支持。

作者还感谢小河内财团（资助编号：2025 Research-9-132）和鹿岛财团（资助编号：2026 General-New-36）提供的资金支持。

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