氯离子在裂缝和开裂混凝土中的传输行为和预测模型

In chloride environments, the cracks show significant influence on the service properties and service life of reinforced concrete structures. Since the cracks are transport paths for chloride ions, the solution in the crack and crack geometry would definitely influence the chloride transport behavior in cracks. However, the effect of crack solution was rarely studied, and it is difficult to get a clear understanding on the effect of crack geometry with existing experimental methods. Under this circumstance, the effects of crack solution and crack geometry on the chloride transport behavior in cracks and cracked concrete, as well as the underlying mechanism, will be systematically studied and revealed with experimental research and numerical simulation. Based on the results of experiments and numerical simulations on the chloride steady-state transport process in the crack, the relationship between the chloride diffusion coefficient and solution composition will be established and a model of chloride transport in cracked concrete, considering the effects of crack solution and crack geometry, will be proposed. The outcome of the project will be the basis for assessing the durability of cracked concrete structures reasonably and predicting the service life of cracked concrete structures accurately.

氯盐环境中，裂缝的存在极大的影响了钢筋混凝土的服役性能和服役寿命。作为氯离子的传输通道，裂缝中溶液的性质和裂缝的形貌必然对氯离子在裂缝中的传输行为产生影响。然而现有的研究大多未考虑裂缝溶液的影响，且以现有的实验手段也很难完全揭示裂缝形貌的影响。据此，本课题拟采用试验研究和数值模拟相结合的方法，系统研究和揭示裂缝溶液和裂缝形貌对氯离子在混凝土裂缝中传输行为的宏观影响规律和微观影响机理。根据氯离子在裂缝中稳态传输过程的试验和模拟研究结果，建立氯离子扩散系数与溶液组成之间的关系，并在此基础上建立考虑裂缝溶液组成和裂缝形貌影响的开裂混凝土氯离子传输模型。本课题的研究结果可为更为合理的评估开裂混凝土耐久性和准确预测开裂混凝土结构服役寿命奠定基础。

氯盐环境中，裂缝的存在极大的影响了钢筋混凝土的服役性能和服役寿命。作为氯离子的传输通道，裂缝中溶液的性质和裂缝形貌必然对氯离子在裂缝中的传输行为产生影响。本课题采用试验研究和数值模拟相结合的方法，系统研究和揭示了裂缝溶液和裂缝形貌对氯离子在混凝土裂缝中传输速率的影响，并在此基础上建立了考虑裂缝溶液组成和裂缝形貌影响的开裂混凝土氯离子传输模型。首先，自主设计了混凝土裂缝中氯离子稳态扩散实验方法，采用氯离子稳态扩散实验，研究了NaCl溶液浓度对氯离子在平直裂缝中传输速率的影响，对比了氯离子在NaCl溶液、人工海水和真实海水中的传输速率，并基于Nernst-Planck方程、Poisson方程和改进Davies模型，研究了反向电场、离子活度对氯离子在裂缝溶液中传输速率的影响，揭示了裂缝溶液组成对裂缝中氯离子传输速率的影响；其次，预制了真实的混凝土裂缝，并通过切片和图像分析方法，提取了裂缝形貌信息，研究了真实裂缝形貌对氯离子在裂缝中传输过程的影响，基于有限差分法，模拟了氯离子在不同形貌的裂缝中的传输过程，揭示了裂缝形貌对氯离子在裂缝中传输过程的影响程度和规律；最后，基于裂缝溶液离子种类和浓度确定裂缝中氯离子扩散系数，通过图像分析采集裂缝形貌信息，基于菲克第二定律和有限差分法，建立考虑裂缝溶液和裂缝形貌影响的开裂混凝土氯离子传输模型。本课题的研究结果可为更合理的评估开裂混凝土耐久性和准确预测开裂混凝土结构的服役寿命奠定基础。