基于微细观尺度的干湿交替下混凝土氯离子传输机制研究

This study will be focused on the mechanism of chloride transport in concrete under drying-wetting cycles. Laboratory tests and theoretical modeling for chloride transport will be both performed to identify the interaction between pore structure modification due to chloride binding and the chloride penetration, and to determine the time-dependent relationship between the water influencing depth and the convection zone depth. Based on a microstructure model and a mesodynamic method, moisture and chloride transport in a three-dimensional pore network of concrete will be simulated. At the interfaces between ions and pore walls, a semi bounce-back rule and a solid-phase updating method will be used to simulate the effect of pore filling induced by chloride binding. The transport property of cement paste-aggregate composite specimens will be tested to obtain the relationship between the transport coefficient and porosity distribution of the interfacial transition zone (ITZ). According to the measured aggregate surface profiles, a mathematical model for representing aggregate shapes will be established. Based on the real aggregate distribution and ITZ transport properties, a meso-scale chloride transport model considering both diffusion and convection mechanisms will be proposed to analyze the influence of cyclic drying and wetting conditions. This study will enhance the chloride transport model for concrete structures under a marine environment and will be the basis for the whole-life design of concrete structures.

以海洋干湿交替环境下混凝土氯离子传输机制为研究对象，开展干湿交替下氯离子传输试验与模型研究，揭示混凝土中氯离子结合引起的孔隙变化与氯离子传输之间的相互作用，探讨干湿交替下混凝土内水分影响深度与氯离子对流区深度之间的时变关系。基于水泥微结构模型和介观动力学模型，构建三维孔隙网络中水分和氯离子传输数值模型，并在离子-孔壁界面处引入半反弹格式和固相更新机制，模拟氯离子结合引起的孔隙填充作用。在细观尺度上，开展水泥浆-骨料复合试件传输试验，建立界面过渡区的传输性能与孔隙率分布之间的关系；根据实测骨料表面轮廓，建立能够表征骨料形状的数学模型。基于真实骨料分布和界面过渡区传输性能，最终建立细观尺度上考虑扩散-对流传输机制的氯离子传输模型，分析干湿交替下氯离子传输机理。研究成果有助于完善海洋环境下混凝土结构中氯离子传输理论模型，为实际工程中混凝土结构全寿命设计提供依据。

混凝土中氯离子传输研究对混凝土结构耐久性能预测及全寿命设计具有重要的工程意义，对国家的经济与社会稳定具有重要意义。本课题针对海洋环境干湿循环条件下混凝土中氯离子传输问题，从微细观层次采用试验分析和数值模拟方法研究了混凝土内微观孔隙结构、界面过渡区及骨料分布等对水分和氯离子传输性能影响的机理。在微观尺度上，采用不同孔隙结构测试方法获得了水泥基材料孔隙特征参数，并将这些参数与氯离子扩散系数进行了相关性分析，基于试验结果建立了氯离子扩散系数与孔结构特征参数关系的数学模型；采用实验室环境模拟的方法研究了不同干湿循环制度对砂浆内水分和氯离子传输的影响，明确了水分和氯离子传输深度的非同步性；在细观尺度上，建立了不规则骨料随机分布的混凝土细观几何模型，再基于水分和氯离子传输方程，引入界面过渡区的传输特性参数，构建了混凝土中氯离子传输过程的细观数值模型。模拟结果表明，随着粗骨料球度的增大，混凝土氯离子扩散系数增大；采用球度较高的粗骨料，可以降低同一深度氯离子浓度以及钢筋开始锈蚀时间的变异性；若以达到临界氯离子浓度的最大深度作为保护层厚度，则应考虑粗骨料分布的空间变异性。项目研究成果明确了不同孔结构测试方法应用于水泥基材料时的有效孔径范围与各自适用范围，为将来在微观尺度上获取各种水泥基材料的孔隙特征参数提供了基础；探究了水泥基材料孔隙结构与传输性能之间的关系，阐明了微观结构对宏观性能的影响机制；干湿循环条件下水分和氯离子传输之间相互作用的研究，阐明了混凝土内水分传输深度与氯离子侵蚀深度之间的时变关系；基于细观尺度上混凝土氯离子传输数值模型，分析了不同形状粗骨料分布对氯离子浓度变异性的影响，为更好地预测海洋环境下混凝土氯离子侵蚀深度提供了理论基础，将来可为实际工程中混凝土结构全寿命设计提供依据。