开裂混凝土水分与氯离子侵入的动态成像表征及其机理研究

Cracks in steel reinforced concrete structures caused by various loads are in most cases inevitable. It is well-known that cracks provide preferential paths for ingress of water and aqueous solutions containing chlorides into cracked structural concrete elements. This process often leads to severe deterioration. Therefore, it is of importance to study the influence of cracks on water and chloride penetration into reinforced concrete elements. However, due to the limitation of traditional testing methods, the study on this topic needs supports from more advanced techniques. In this project neutron imaging, a powerful technique, will be successfully applied to visualize the process of water and chloride penetration into cracked concrete with high spatial resolution. According to the attenuation model and further analysis of the raw data, the spatial water and chloride distributions in cracked concrete during the ingress process are determined in a quantitative way. Neutron imaging is also applied in order to study the difference of penetration fronts between water and chloride ions. The filtration effect of porous cement matrix on chloride ions is also studied. Based on the experimental results and quantitative analysis, the mechanism of water and chloride penetration into cracked reinforced concrete is studied in particular under the conditions of different material parameters, crack parameters such as crack width and crack depth, and situations of cracks and interfaces zone. The obtained results of this project will help to better investigate the deterioration process of cracked reinforced concrete structures and to make proper durability assessment and service life prediction. It also opens a new approach and method for researchers to study further the durability of concrete structures.

钢筋混凝土构件在各种荷载作用下不可避免地会产生裂缝，裂缝的存在为水分和氯离子等有害介质的侵入提供了便捷通道，从而加速耐久性劣化；水分及溶于其中的氯离子在开裂混凝土中的侵入机理成为混凝土耐久性研究中亟待解决的重要课题，由于常规测试技术的局限性，当前研究还需先进实验手段的支持。本项目应用中子成像技术，力图实现对非透明性混凝土材料在开裂状态下水分和氯离子侵入过程的同步再现和动态成像表征；通过衰减模型推导和后处理程序分析，定量研究开裂混凝土水分和氯离子侵入过程中介质的空间分布规律，以及两者之间的相对滞后现象和多孔基体的过滤机制；基于中子成像和定量分析结果，针对不同材料参数和不同裂缝宽度、深度等裂缝参数以及材料裂缝区和界面区状态，系统揭示开裂混凝土的水分和氯离子侵入机理。为深入研究开裂混凝土的劣化机理及其耐久性评价和寿命预测体系提供理论支持，也为混凝土结构的耐久性研究提供新的研究思路和方法。

在实际服役的钢筋混凝土结构中，由各种力学荷载和环境作用产生的裂缝或大或小总是存在的，这些裂缝的存在为水分和侵蚀性介质的侵入提供了便捷通道，更易引起混凝土内部的钢筋锈蚀及耐久性失效。因此，裂缝是钢筋混凝土结构中的关键和薄弱区域，研究裂缝对混凝土中水分和氯离子传输的影响规律，对更好地认识和理解钢筋混凝土结构的劣化机理及其耐久性失效机制都具有十分重要的意义。. 本项目充分利用先进科学装置，同时结合实验室试验和现场暴露实验及理论分析，对这一课题开展了深入系统研究。实现了开裂混凝土内部水分侵入过程的成像再现和表征，通过模型推导和定量分析，研究了水分在开裂混凝土中的空间分布规律；研究了混凝土裂缝宽度对其水分侵入的影响，揭示了混凝土吸水系数随裂缝宽度的变化规律；研究了水源中断后开裂混凝土内部水分的重新分布现象，揭示了水分在两个方向上的重分布规律；研究了开裂混凝土中氯离子的侵入及其分布规律，并研究了表面防水处理对开裂混凝土抗氯离子性能的效果，利用EPMA电子探针对现场暴露试件进行了研究；研究了水分和氯离子在传输过程中的相对滞后现象及其相关性；同时还研究了微小裂缝状态下混凝土和纤维水泥基材料中的介质侵入规律。本项目为深入研究开裂混凝土的劣化机理及其耐久性评价提供理论参考，一些研究成果应用到青岛沿海地区的地铁工程中，取得了良好的社会和经济效益。. 本项目经四年研究，完成了计划书中的各项任务，取得了预期的研究成果。本项目共发表学术论文26篇，SCI收录论文2篇，EI收录论文5篇；授权发明专利2项，实用新型专利2项；多人次参加国际学术会议；培养博士研究生1名，硕士研究生5名，其中4名研究生均获得国家奖学金；研究成果还获得2014年山东省科技进步二等奖1项，2013年和2016年青岛市科技进步二等奖2项，2015年山东省高等学校优秀科研成果二等奖1项和三等奖1项。