双裂缝对再生混凝土中氯离子渗透的影响

张海伟; 吴晨洁; 孙迎秋; 韩静云; 王德志

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501217

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1625-1633 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501217

建筑科学

双裂缝对再生混凝土中氯离子渗透的影响

张海伟 ¹ ,
吴晨洁 ¹ ,
孙迎秋 ¹ ,
韩静云 ² ,
王德志 ¹^,³^,⁴^,⁵^,^*

作者信息 +

Effect of Double Cracks on Chloride Penetration in Recycled Concrete

ZHANG Hai-wei ¹ ,
WU Chen-jie ¹ ,
SUN Ying-qiu ¹ ,
HAN Jing-yun ² ,
WANG De-zhi ¹^,³^,⁴^,⁵^,^*

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摘要

为研究再生混凝土中氯离子的渗透机理，采用MATLAB建立双裂缝再生混凝土的细观模型，旨在揭示双裂缝对氯离子渗透的叠加效应，并分析裂缝伴随的相邻损伤区对渗透行为的影响。该模型涵盖新砂浆、老砂浆、新界面过渡区、老界面过渡区、原始骨料、双裂缝及损伤区等关键组成部分。通过系统分析双裂缝宽度、长度、损伤区尺寸、裂缝形状及裂缝间距等因素对氯离子渗透的影响，研究发现，双裂缝叠加效应对氯离子浓度有显著影响。当裂缝间距超过临界值时，双裂缝间的氯离子渗透将不再相互干扰。研究成果为深入理解再生混凝土中氯离子渗透机制提供了理论依据。

Abstract

To study the mechanism of chloride ion permeation in recycled concrete，a mesoscale model of double-cracked recycled concrete was established using MATLAB，aiming to reveal the superposition effect of double cracks on chloride penetration and the impact of adjacent damage zones around the cracks on penetration behavior was investigated. The model included various components，such as new mortar，old mortar，new interfacial transition zone，old interfacial transition zone，original aggregate，double cracks，and damage zones. Through systematic analysis of factors such as the width and length of the double cracks，the dimensions of the damage zone size，crack shape，and crack spacing，it is found that the superposition effect of double cracks has a significant impact on chloride ion concentration. When the spacing between cracks exceeds the critical value，the chloride ion penetration between the two cracks will no longer interfere with each other. The research results provide a theoretical basis for a deeper understanding of the chloride ion permeation mechanism in recycled concrete.

Graphical abstract

关键词

再生混凝土 / 双裂缝 / 损伤区 / 氯离子 / 细观分析 / 渗透影响

Key words

recycled concrete / double cracks / damage zones / chloride ion / mesoscale analysis / penetration effect

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张海伟, 吴晨洁, 孙迎秋, 韩静云, 王德志. 双裂缝对再生混凝土中氯离子渗透的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1625-1633 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501217

ZHANG Hai-wei, WU Chen-jie, SUN Ying-qiu, HAN Jing-yun, WANG De-zhi. Effect of Double Cracks on Chloride Penetration in Recycled Concrete[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1625-1633 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501217

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氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性下降的主要原因之一，氯离子通过混凝土孔隙渗透到内部，破坏钢筋的钝化膜，从而引发钢筋锈蚀^[1-3]。在外部荷载、冻融循环、收缩等因素的作用下，混凝土结构容易出现裂缝，这些裂缝为氯离子的渗透提供了便捷的通道^[4-5]。再生混凝土是通过破碎、清洗等工艺将建筑废弃物转化为再生骨料，这些骨料可以部分或完全替代天然骨料，用于新混凝土的生产^[6-7]。然而，由于老砂浆和界面过渡区的影响，再生混凝土在使用过程中更容易发生开裂^[8]。因此，评估开裂再生混凝土的抗氯离子渗透性尤为重要。

作为非均质复合材料，再生混凝土的抗氯离子渗透性研究可以通过细观模拟方法克服传统试验的局限性^[9-11]。Strubar^[12]提出了一维氯离子渗透模型，用于再生混凝土的寿命研究。Hu等^[13]建立了随机五相模型，定量评估各相的有效氯离子扩散速率。Jin等^[14]引入了凸多边形计算模型，将再生混凝土视为具有裂缝和损伤区的七相复合结构。Kang等^[15]建立了开裂再生混凝土的细观模型，分析了弱界面过渡区对氯离子扩散的影响。值得注意的是，实际工程中混凝土结构通常存在多裂缝协同作用，但现有研究尚未深入探讨双裂缝叠加效应这一关键科学问题。

基于此，构建包含双裂缝的再生混凝土细观模型，系统揭示双裂缝叠加效应机制。通过选定特定粒径的再生粗骨料，重点分析双裂缝宽度、长度、损伤区尺寸、裂缝形状及裂缝间距等因素对氯离子浓度的影响，为再生混凝土耐久性评估提供了突破性的研究思路。

1 模拟理论

1.1 氯离子扩散过程

当再生混凝土在溶液中达到饱和状态时，氯离子的运输主要由扩散过程支配。根据Fick第二定律，氯离子的扩散行为可表示为

（1）$\frac{\partial {C}_{s}（{x}_{0}，{y}_{0}，{t}_{0}）}{\partial {t}_{0}}$=D_p$\left[\frac{\partial {C}_{s}（{x}_{0}，{y}_{0}，{t}_{0}）}{\partial {x}_{0}^{2}}+\frac{\partial {C}_{s}（{x}_{0}，{y}_{0}，{t}_{0}）}{\partial {y}_{0}^{2}}\right]$

式（1）中：t₀为氯离子的渗透时间，s；x₀为氯离子的渗透深度，m；y₀为氯离子所处的纵相方位，m；C_s（x₀，y₀，t₀）为时间t₀和位置（x₀，y₀）处的氯离子浓度，%；D_p为各相的氯离子扩散系数，m²/s，包括新砂浆、老砂浆、新界面过渡区、老界面过渡区、原始骨料、裂缝及损伤区。

为了便于模型分析，设定以下两个特定的初始条件：

（2）$\left\{\begin{array}{l}{C}_{s}({x}_{0},{y}_{0},0)=0\\ {C}_{s}\left(0\right.,{y}_{0},{t}_{0})={C}_{t}\end{array}\right.$

式（2）中：C_t为模型边界处的氯离子浓度，%。

1.2 骨料级配

Walraven通过应用Fuller的骨料三维级配曲线^[16]，在二维平面上描述了粗骨料的面积分布^[17]，其表达式为

（3）$\begin{aligned}P_{\mathrm{m}}\left(D＜D_{\mathrm{c}}\right)= & P_{\mathrm{s}}\left(1.065 D_{\mathrm{c}}^{0.5} D_{\max }^{-0.5}-0.053 D_{\mathrm{c}}^{4} D_{\max }^{-4}-\right. \\& 0.012 D_{\mathrm{c}}^{6} D_{\max }^{-6}-0.045 D_{\mathrm{c}}^{8} D_{\max }^{-8}+ \\& \left.0.025 D_{\mathrm{c}}^{10} D_{\max }^{-10}\right)\end{aligned}$

式（3）中：P_m为粗骨料粒径在范围D<D_c内的可能性，D为D_c选定后，小于D_c的粒径；P_s为粗骨料的体积分数；D_c为粗骨料的粒径，mm；D_max为粗骨料的最大粒径，mm。

粗骨料在不同粒径范围内所占的面积可通过式（4）计算。

（4）S（D_i，D_i₊₁）=$\frac{{P}_{m}（{D}_{i+1}）-{P}_{m}（{D}_{i}）}{{P}_{m}（{D}_{max}）-{P}_{m}（{D}_{min}）}$S₁S₀

式（4）中：S为粗骨料在粒径范围（D_i，D_i₊₁）内的面积，mm²；S₁为粗骨料面积的比例；S₀为模型的总面积；D_min为粗骨料的最小粒径。

1.3 参数确定

1.3.1 新砂浆的氯离子扩散系数

再生混凝土是一种非均质材料，其各个组分具有不同的氯离子扩散系数。新砂浆的氯离子扩散系数可表示为^[18]

（5）D_nm=$\frac{2{\varphi }_{p}^{2.75}{D}_{t}}{{\varphi }_{p}^{1.75}（3-{\varphi }_{p}）+14.44（1-{\varphi }_{p}{）}^{2.75}}$

式（5）中：D_t为氯离子在孔隙溶液中的扩散系数，D_t=1.07×10^-10 m²/s；φ_p为砂浆的孔隙率，可表示为^[19]

（6）φ_p=$\frac{w/b-0.17\gamma }{w/b+0.32}$

式（6）中：w/b为水胶比；γ为水化度，取值范围在0~1。

1.3.2 其余相的氯离子扩散系数

根据文献[9,11,14]，老砂浆的扩散系数是新砂浆的0.2~5倍，界面过渡区的扩散系数是新砂浆的1.3~16.2倍。与文献[20-21]中的取值相同，假设老砂浆的扩散系数为新砂浆的2倍，界面过渡区的扩散系数为砂浆的10倍，而原始骨料的扩散系数则为0 m²/s。根据文献[14,22]，单个裂缝的氯离子扩散系数可以通过式（7）表示。Liu等^[23]提出，损伤区的氯离子扩散系数是新砂浆的20倍，采用相同取值。

（7）$\left\{\begin{array}{l}{D}_{ck}=2\times {10}^{-11}{\omega }_{ck}-4\times {10}^{-10},\\ 30 \mu m\le {\omega }_{ck}\le 80 \mu m\\ {D}_{ck}=1.4\times {10}^{-9},\\ {\omega }_{ck}80 \mu m\end{array}\right.$

式（7）中：ω_ck为裂缝宽度，μm。

2 双裂缝再生混凝土的细观模型

通过MATLAB建立双裂缝再生混凝土的细观模型，如图1所示，并使用COMSOL Multiphysics 5.6软件模拟氯离子渗透过程。模型尺寸为100 mm×100 mm，包含新砂浆、老砂浆、新界面过渡区、老界面过渡区、原始骨料、双裂缝及损伤区等组成部分。再生粗骨料的粒径范围为5~20 mm，且其体积分数为35%。根据式（3）和式（4），可以计算出再生粗骨料在3个级配区间的面积，分别为1 633 mm² （级配区间5~10 mm）、1 154 mm² （级配区间10~15 mm）和713 mm²（级配区间15~20 mm）。为简化建模，选择3种代表性的粗骨料粒径（分别为7、12和17 mm）。模型的下边界设定为氯离子渗透区域。

3 模型验证

选取文献[24]中的试验数据，对所建立的开裂再生混凝土细观模型进行验证。试验对象为在氯盐干湿循环作用下的开裂再生混凝土牛腿梁，主要材料参数如下：水泥为42.5等级的普通硅酸盐水泥，化学成分如表1所示；天然粗骨料（NCA）为粒径范围在5~25 mm的连续级配碎石，表观密度为2 683 kg/m³，堆积密度为1 433 kg/m³，吸水率为1.4%；再生粗骨料（RCA）来源于建筑废弃混凝土，其粒径分布与天然粗骨料一致，表观密度为2 562 kg/m³，堆积密度为1 238 kg/m³，吸水率为7.2%；细骨料为细度模数2.7的河砂；水为普通自来水。试件设计为100 mm（宽）×150 mm（高）×1 000 mm（长）的牛腿梁结构，具体配合比如表2所示。试件采用侧卧浇筑方式成型，并进行28 d薄膜覆盖养护（制备过程如图2所示）。在试验过程中，通过在梁端预设直径为10 mm的孔道并安装贯穿式螺杆，结合分级加载方式精确调控裂缝宽度，同时使用裂缝观测仪实时监测裂缝扩展情况，加载示意图如图3所示。

将加载后的试件安装在干湿循环系统中，受拉面保持裸露，其余面用环氧树脂密封。试件固定在配备底部阀控排水系统的腐蚀槽内，通过5%NaCl溶液灌注实现干湿交替循环（3 d浸润/3 d干燥），共进行50个周期。氯盐浓度通过密度计实时监测，整个试验过程在15.8 ℃恒温环境下进行。完成干湿循环后，试件经过风干处理，使用电钻沿裂缝的垂直侵蚀面，每隔5 mm实施梯度钻样，钻深100 mm，取样点位分布如图4^[24]所示。将粉末样品在100 ℃烘箱中干燥2~3 h后，称取1.5 g，并与10 mL蒸馏水混合，静置24 h。最后，使用氯离子含量快速测定仪测量不同深度处的氯离子浓度。

利用MATLAB建立开裂再生混凝土梁的细观模型，并将其导入COMSOL Multiphysics软件进行氯离子扩散模拟。模型的截面尺寸为1 000 mm×150 mm，下边界定义为氯离子渗透区域，其余边界采用无通量约束。再生混凝土梁的水胶比为0.54，粗骨料体积分数为50%，渗透周期为300 d。试件中包含8条随机分布的裂缝，宽度分别为137、116、75、75、95、137、116和75 μm，裂缝的平均间距为78.9 mm。裂缝的氯离子扩散系数通过式（7）计算获得。图5为4种裂缝宽度（75、95、116和137 μm）下氯离子浓度的试验值与模拟值。结果显示，在不同裂缝宽度下，模拟曲线与试验值吻合良好，表明所建立的细观模型能够准确预测开裂再生混凝土内部的氯离子传输规律，具有较好的工程适用性。

4 结果和讨论

如图1所示，新界面过渡区位于新砂浆与老砂浆之间，老界面过渡区则位于老砂浆与原始骨料之间。假设新界面过渡区的厚度与老界面过渡区的厚度相同。模型边界处的初始氯离子浓度设定为0.7%。水胶比为0.38，根据式（5）和式（6），可以计算得出新砂浆的氯离子扩散系数D_nm。假设老砂浆的氯离子扩散系数D_om是D_nm的2倍，新界面过渡区的氯离子扩散系数D_ni是D_nm的10倍，老界面过渡区的氯离子扩散系数D_oi是D_om的10倍，而损伤区的氯离子扩散系数为D_nm的20倍^{[9,11,14,20-22]}。模型参数如表3所示。

4.1 双裂缝宽度

为了研究不同双裂缝宽度对再生混凝土中氯离子浓度的影响，假设双裂缝为相同尺寸的矩形。如图6所示，裂缝宽度分别为30、60、90、120、180和240 μm。每条裂缝的长度为10 mm，裂缝间距为40 mm。损伤区的长度为20 mm，宽度为1 mm。氯离子浓度沿双裂缝的中轴线进行计算。不同双裂缝宽度对氯离子浓度的影响如图7所示。随着裂缝宽度的增大，氯离子浓度呈上升趋势，特别是在裂缝宽度由30 μm增大到90 μm时，浓度上升幅度尤为显著。这是因为裂缝宽度增大导致氯离子的扩散系数增加；当裂缝宽度超过90 μm后，扩散系数趋于稳定，氯离子浓度的上升幅度逐渐减缓。此外，氯离子浓度在10 mm深度处出现了拐点，这主要是由于裂缝与损伤区之间氯离子扩散率的显著差异。在0~10 mm的深度范围内，裂缝和损伤区共同影响氯离子浓度；而在超过10 mm深度后，损伤区的影响逐渐占主导地位。

为了研究不同双裂缝宽度下氯离子浓度沿距中轴线的变化，在16.5 mm深度处测量了氯离子浓度，如图8所示。结果表明，氯离子浓度呈现双峰分布，并在双裂缝处达到最大值。双裂缝对氯离子浓度的叠加作用在裂缝中心最为显著。例如，当裂缝宽度为90 μm时，位于（0，16.5）处的氯离子浓度为0.337%，而在（40，16.5）处的浓度为0.288%。

4.2 双裂缝长度

为了研究不同双裂缝长度对再生混凝土中氯离子浓度的影响，选取5、10、15和20 mm裂缝长度，如图9所示。每条裂缝的宽度为150 μm，裂缝间距为40 mm。损伤区的长度比双裂缝多出10 mm，宽度为1 mm。氯离子浓度沿双裂缝的中轴线进行计算。图10为不同双裂缝长度对氯离子浓度的影响。结果表明，氯离子浓度随着双裂缝长度的增加而逐渐升高。在0~5 mm的深度范围内，氯离子浓度变化较小，但随着渗透深度的增加，浓度差异变得更加明显。在5 mm深度处，氯离子浓度分别为0.577%、0.586%、0.591%和0.592%；而在19 mm深度处，氯离子浓度分别为0.292%、0.318%、0.337%和0.347%。

4.3 损伤区宽度

为了分析不同损伤区宽度对再生混凝土中氯离子浓度的影响，设置宽度分别为0.5、1、2和3 mm的损伤区，如图11所示。损伤区的长度为20 mm。双裂缝的长度为10 mm，宽度为150 μm，裂缝间距为40 mm。不同损伤区宽度对氯离子浓度的影响如图12所示。结果表明，随着损伤区宽度的增大，氯离子浓度持续上升。在0~10 mm深度范围内，双裂缝是影响氯离子浓度变化的主要因素；而在10~20 mm深度范围内，损伤区宽度的变化开始显著影响氯离子浓度。例如，在10 mm深度处，氯离子浓度分别为0.429%、0.436%、0.448%和0.457%；而15 mm深度处，氯离子浓度分别为0.355%、0.368%、0.386%和0.400%。

4.4 损伤区长度

损伤区的长度分别为15、20、25和30 mm，宽度为1 mm，如图13所示。双裂缝的长度为10 mm，宽度为150 μm，裂缝间距为40 mm。氯离子浓度在31 mm深度处进行测量。图14为不同损伤区长度下氯离子浓度沿距中轴线的变化。结果表明，随着损伤区长度的增加，氯离子浓度逐渐升高，尤其在双裂缝处的浓度上升最为显著。例如，在中轴线处，氯离子浓度分别为0.097%、0.108%、0.115%和0.119%；而在裂缝处，氯离子浓度分别为0.110%、0.132%、0.158%和0.205%。

4.5 裂缝形状

为了分析不同裂缝形状对再生混凝土中氯离子浓度的影响，选取了矩形、三角形和梯形三种裂缝形状，如图15所示。双裂缝的长度为10 mm，宽度为150 μm，裂缝间距为40 mm，损伤区的长度为20 mm，宽度为1 mm。不同裂缝形状对氯离子浓度的影响如图16所示。随着渗透深度的增加，不同裂缝形状对氯离子浓度的影响愈加显著。矩形裂缝的氯离子浓度最高，而三角形裂缝的氯离子浓度最低。这是因为矩形裂缝的宽度始终保持不变，而三角形和梯形裂缝的宽度随着深度增加逐渐变小，从而影响了氯离子的渗透程度。

4.6 裂缝间距

为了研究不同裂缝间距对再生混凝土中氯离子浓度的影响，设置5种裂缝间距，分别为0（无裂缝）、20、40、60 和70 mm，如图17所示，同时保持双裂缝和损伤区的尺寸不变。图18为不同双裂缝间距对氯离子浓度的影响。随着裂缝间距的增大，氯离子浓度逐渐降低。在15 mm深度时，其他裂缝间距下的氯离子浓度分别为无裂缝情况下浓度的1.65倍、1.26倍、1.08倍和1.04倍。结果表明，裂缝间距对氯离子浓度具有显著影响，且当裂缝间距达到80 mm以上时，裂缝间的氯离子浓度不再受到明显影响。

5 结论

提出一种包含双裂缝的再生混凝土细观模型，并通过试验数据验证了该模型的有效性和可靠性。研究重点探讨了双裂缝宽度、长度、损伤区尺寸、裂缝形状及裂缝间距等因素对氯离子渗透的影响。在工程实践中，该模型的应用将为再生混凝土的设计优化、耐久性评估以及抗渗透性能提升提供新的理论工具，具有重要的现实意义。得出如下主要结论。

（1）双裂缝对氯离子浓度具有叠加效应，且随着双裂缝宽度的增加，氯离子浓度显著升高。特别是在裂缝宽度为30 ~90 μm时，浓度的上升幅度尤为明显。

（2）由于各组分的扩散系数不同，损伤区对氯离子浓度的影响较双裂缝小，但大于砂浆部分。

（3）裂缝形状对氯离子浓度存在一定影响，其中矩形裂缝导致的氯离子浓度最高，而三角形裂缝则对应最低氯离子浓度。

（4）裂缝间距对氯离子浓度有显著影响。当裂缝间距超过80 mm时，裂缝间的氯离子浓度变化趋于平稳，不再受到明显影响。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

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Received	Published	Revised
2025-02-25	2026-02-08	2025-11-03
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2026-09-21

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