多离子共存环境下混凝土中氯离子扩散行为及预测模型研究

Chloride-induced reinforcement corrosion is one of the major durability problems of reinforced concrete structures exposed to chloride environments, e.g. marine environments, salt lakes. Currently, most of the investigations put emphasis on the diffusion behavior of single-species chloride ions. However, the diffusion behavior of chloride ions associated with multi-species ionic environments was rarely studied. Therefore, this project plans to experimentally investigate the diffusion behavior of chloride ions in concrete subjected to multi-species ionic environment, thereby obtaining the concentration profiles and evolutions of the main species ions and solid phases in concrete. Meanwhile, the project will conduct the microcosm tests to find the evolution principles of the microstructure of concrete subjected to multi-species ionic environments, and also to reveal the influence mechanism of microstructure evolution on chloride diffusion behavior. Finally, a model considering multi-species ionic interactions, multi-phase reactions and microstructure evolutions will be established. The aim of the present project is to exactly predict the chloride diffusion behavior and the service life of reinforced concrete structures subjected to multi-species ionic environments.

氯离子引起的钢筋锈蚀问题是钢筋混凝土结构耐久性的重要问题，合理评估氯离子扩散行为是确保海洋、盐湖等氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性的重要任务。传统研究大多只考虑单一氯离子的扩散行为，而针对多离子共存环境系统开展试验和模型研究的报道还不多见。因此本项目拟首先开展多离子共存环境下混凝土中氯离子扩散行为试验研究，探明混凝土内部各离子和固相水化产物的浓度分布和依时变化规律；同时进行多离子共存环境下混凝土微观结构试验研究，掌握微观结构的演变规律及微观结构演变对氯离子扩散行为的影响机理；最后开展多离子共存环境下混凝土氯离子扩散模型研究工作，建立综合考虑多离子相互作用、多相反应及微结构演变影响的混凝土氯离子扩散模型，以期准确预测多离子共存环境下混凝土中氯离子扩散行为及钢筋混凝土结构服役寿命。

氯离子引起的钢筋锈蚀问题是钢筋混凝土结构耐久性的重要问题，合理评估氯离子扩散行为是确保氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性的首要任务。传统研究大多只考虑单一氯离子的扩散行为，而针对多离子共存环境开展试验和模型研究的报道尚不多见。因此本项目针对常见多离子共存环境开展了混凝土中氯离子扩散和微观结构的试验及预测模型研究，探明了在这些环境下的混凝土氯离子扩散行为和规律。本项目主要研究成果和结论可归纳成以下四个方面：（1）开展了单一、复合阳离子共存环境下混凝土中氯离子扩散行为试验研究，探明了单、双、多阳离子类型对混凝土中氯离子浓度分布的影响规律。研究发现：复合阳离子对应的氯离子结合能力氯离子结合能力随复合阳离子类型的平均价态的增加而增加。（2）提出了基于电中性平衡、多曲率传输通道及非线性反应动力学的多离子传输模型，建立了基于多相反应产物体积变化的混凝土微结构演变计算方法，发展了复杂侵蚀环境下混凝土耐久性预测理论。（3）开展了氯离子和铵离子共存环境下水泥基材料的氯离子扩散行为和微结构试验研究，探明了溶蚀过程中微结构损伤对氯离子扩散行为的影响规律。（4）揭示了自然扩散过程氯离子结合能力的距离相关性。研究发现，自然扩散过程中的氯离子结合规律与Freundlich、Langmuir等温吸附规律不同，而是更加接近线性规律。具体规律为：在表面处，CSH等固相脱钙溶解，氯离子结合作用因失去结合基体而大幅削弱；在距表面一定深度处，氢氧根离子下降，氯离子结合能力因竞争吸附效应的降低而有所上升。本项目研究成果丰富和发展了复杂侵蚀环境下混凝土耐久性预测理论，对多离子共存等复杂环境下海洋工程钢筋混凝土结构服役寿命准确预测有重要科学意义。