基于细微观尺度的电化学过程混凝土内部多离子传输机制研究

As a proposed method for the rehabilitation of corroded concrete structure in construction industry in recent years, electrochemical rehabilitation method has its application with good prospects. However, some essential problems for the basic theory of electrochemical rehabilitation are still in need to be solved, such as the multi-ionic transport mechanism in concrete under the action of externally applied electric field. This proposal is based on the reinforced concrete structures in civil engineering. With the utilization of basic theory in material, physics, chemistry, electrochemistry, etc. and the modern ionic test method, the interaction mechanism between mass reaction / pore evolution and mass transfer during the electrochemical process in concrete will firstly be studied, subsequently an electrochemical kinetic parameter and a tortuosity index will be introduced, and lastly the mechanism of multi-ionic transport in concrete will be clarified. By means of stochastic theory, modern micro/meso observation techniques and numerical simulation methods, a concrete geometry model with random shape and distribution of aggregates will be established, then the ionic transport characteristics of aggregate-cement paste interfacial transition zone before and after electrochemical rehabilitation will be studied, and finally a multi-ionic transport model in concrete under the action of externally applied electric field will be proposed. The results of this research will enhance the electrochemical rehabilitation theoretical system for later studies, and provide technical support for the specifications/codes/standards of electrochemical remediation. The results will also be of significant importance for the extensive application of electrochemical remediation methods in projects.

电化学修复技术作为近年建筑行业中被逐步推广的一种腐蚀混凝土结构修复方法，具有广阔的工程应用前景。电场作用下混凝土内部多离子的传输机制是电化学修复技术的关键理论基础。本项目以钢筋混凝土结构为研究基础，借助材料、物理、化学和电化学等学科的基本理论与现代离子检测试验手段，阐明电化学修复过程中混凝土内部物质反应及孔隙演变与物质传递的相互影响机理，明确电化学反应动力参数和路径曲折度指标，揭示电化学修复过程混凝土内部多离子传输机理。依靠随机理论、现代细微观观测技术和数值仿真方法，建立混凝土随机骨料形状和随机分布的几何模型，研究电化学修复前后混凝土骨料—砂浆界面过渡区的离子传输特性，构建外加电场作用下混凝土中多离子细微观传输模型。本项目的研究成果将为电化学修复技术提供理论支撑，为相关电化学修复设计规范提供技术支持，对实现电化学修复技术在工程中的广泛应用有重要意义。

电化学修复技术是一种成本低廉、环境友好、快速有效的腐蚀混凝土结构修复方法，近几年在建筑行业中被逐步推广，具有广阔的工程应用前景。本项目以钢筋混凝土结构为研究基础，借助材料、物理、化学和电化学等学科的基本理论与现代离子检测试验手段，研究了电化学修复过程中离子在化学位场驱动下的扩散作用与电势场驱动下的电迁移作用机理，对比了不同电势场条件对电化学修复过程的影响差异，研究了混凝土内部离子结合作用、电极反应、Ca(OH)2溶解平衡、水泥水化产物水解等物质反应及混凝土孔隙结构变化和内部物质传输的相互影响机理，明确了电化学反应动力参数和物质传输路径曲折度及混凝土连通性指标的关系，揭示了电化学修复过程混凝土内部多离子传输机理。依靠随机理论、现代细微观观测技术和数值仿真方法，建立了混凝土随机骨料形状和随机分布的几何模型，研究了电化学修复前后混凝土骨料—砂浆界面过渡区的离子传输特性，构建了外加电场作用下混凝土中多离子细微观传输模型。基于构建的多离子细微观传输模型，模拟了不同温度下混凝土构件进行电化学修复处理的过程，研究了温度对电化学修复效率的影响，提出了一种通过调节温度提高电化学修复效率的优化设计方法；模拟了不同钢筋分布情况下的电化学修复过程，研究了纵筋排数、保护层厚度、钢筋间距和箍筋分布等情况对电化学修复效率的影响；模拟了不同混凝土构件梁、板、柱的电化学修复过程，研究了修复面数目对电化学修复效率的影响。本项目的研究成果将为电化学修复技术提供理论支撑，为相关电化学修复设计规范提供技术支持，可为实际待修复结构构件的类型与钢筋分布进行优化设计提供指导，对实现电化学修复技术在工程中的广泛应用有重要意义。