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材料导报 2023年第9期37卷 133-141页

作者：胡哲刘清风上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室上海200240 上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室上海200240

临海地区的混凝土结构因氯离子侵蚀会导致严重的耐久性问题,尤其是在同时承受荷载作用的情况下。服役中的混凝土往往存在初始缺陷,荷载的持续作用会使得混凝土内部的孔隙结构进一步粗化并引起开裂,进而加剧氯盐侵蚀。同时,混凝土孔隙液... 详细信息

临海地区的混凝土结构因氯离子侵蚀会导致严重的耐久性问题,尤其是在同时承受荷载作用的情况下。服役中的混凝土往往存在初始缺陷,荷载的持续作用会使得混凝土内部的孔隙结构进一步粗化并引起开裂,进而加剧氯盐侵蚀。同时,混凝土孔隙液中存在的多种离子也会影响到氯离子的传输。为了深入研究荷载-氯盐影响下的混凝土结构耐久性劣化,本工作针对前述机理开展多相数值研究,通过全面考虑荷载引起的混凝土开裂和孔隙损伤,以及异种离子间的电化学耦合效应的共同影响,提出了经过第三方试验验证的荷载-多离子传输耦合模型。研究发现,荷载大小和荷载施加方式的改变不仅会影响孔隙结构和裂缝形态,也会使静电势的分布产生差异,进而共同影响离子浓度的变化。荷载作用下的多离子电化学耦合效应会显著影响离子的传输规律,仅考虑单一离子会导致氯离子摄入量的预测偏低。荷载的作用同时还会放大环境条件(如盐溶液浓度)对氯传输的影响。

关键词：荷载氯离子开裂多离子传输孔隙率数值模型

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多离子在混凝土中传输及其对SO4^2-迁移的影响研究

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混凝土 2020年第8期 72-78页

作者：谢清韦江雄吴江黄浩良胡捷余其俊华南理工大学材料学院广东广州510640 广东省建筑材料低碳技术工程技术中心广东广州510640

试验研究了混凝土试样在Na2SO4、MgSO4、MgSO4/NaCl 3种溶液体系中的腐蚀行为,测定了不同离子在混凝土内部的分布,并采用灰色关联法分析Mg^2+、Na^+、Cl^-与SO4^2-扩散系数之间的关联度,揭示了混凝土内部多离子传输过程中Mg^2+、Na^+和C... 详细信息

试验研究了混凝土试样在Na2SO4、MgSO4、MgSO4/NaCl 3种溶液体系中的腐蚀行为,测定了不同离子在混凝土内部的分布,并采用灰色关联法分析Mg^2+、Na^+、Cl^-与SO4^2-扩散系数之间的关联度,揭示了混凝土内部多离子传输过程中Mg^2+、Na^+和Cl^-对SO4^2-迁移的影响规律SO4^2-研究表明:(1)Mg^2+能够降低SO4^2-在混凝土中的表面离子浓度,但提高了SO4^2-在混凝土中的扩散系数;(2)在Mg^2+存在的条件下,同时含有的Cl^-能够提高Mg^2+的表面离子浓度和在混凝土中的含量,间接地降低了SO4^2-的表面离子浓度,提高了其在混凝土中的扩散系数。

关键词：混凝土多离子传输扩散系数表面离子浓度硫酸盐侵蚀

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多离子在混凝土中的传输模型及其对耐久性的影响

多离子在混凝土中的传输模型及其对耐久性的影响

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作者：谢清华南理工大学

学位级别：硕士

物理和化学作用下,混凝土材料和结构的性能衰退,直接降低混凝土的使用寿命。其中,环境中Mg、SO和Cl逐渐传输到混凝土内部,导致混凝土组成、结构和性能的降低,特别是在海洋环境、西部盐湖盐渍土以及地下水等环境中,此类耐久性问题尤为突... 详细信息

物理和化学作用下,混凝土材料和结构的性能衰退,直接降低混凝土的使用寿命。其中,环境中Mg、SO和Cl逐渐传输到混凝土内部,导致混凝土组成、结构和性能的降低,特别是在海洋环境、西部盐湖盐渍土以及地下水等环境中,此类耐久性问题尤为突出。目前关于离子侵蚀及其对混凝土耐久性影响研究有很多,但大多针对单一的离子,如Cl和SO在混凝土中传输,以及其引发的钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀等耐久性问题。虽然它们对混凝土耐久性的研究具有重要的意义,但由于环境中一般存在多种离子,各种离子在电荷作用、离子活度等因素影响下的相互作用,会使得多离子传输相比于单一离子的传输过程更为复杂,也更接近实际环境作用。因此,本文针对多离子在混凝土的传输展开研究,以期揭示混凝土多离子传输过程中各离子间的相互作用以及矿物掺合料对混凝土离子侵蚀耐久性的影响,并且建立混凝土多离子传输模型。具体工作包括:(1)采用NaSO、MgSO、MgSO/NaCl为侵蚀溶液以及饱和Ca(OH)为参比溶液,考察四种溶液中离子在混凝土内部的一维侵蚀过程。通过对比不同侵蚀龄期各离子的相对含量、表面离子浓度和扩散系数,揭示了Mg、SO和Cl在传输过程中的相互作用。结果表明,Mg对SO的传输影响最大,能够阻碍外界溶液的SO进入混凝土内部,但会促进已经进入混凝土内部的SO的传输。Cl的存在能够促进外界溶液的Mg进入混凝土内部并加速其扩散速度,而对SO的作用主要通过影响Mg的传输从而间接地影响SO的传输。(2)为了揭示不同矿物掺合料对混凝土抗离子侵蚀性能的影响,考察了三种矿物掺合料复合混凝土在MgSO/NaCl溶液中的腐蚀状况。结果表明,大掺量(50 wt.%)的粉煤灰能够有效抑制Mg、SO、Cl在混凝土内部的传输;而矿渣的掺入会加速Mg和SO在混凝土中的传输,加快混凝土劣化速度。粉煤灰矿渣双掺的方式可以有效的抑制Cl在混凝土内部的传输,但是对于Mg和SO的抑制作用并不明显。(3)应用多种方法对混凝土表观损伤、表层腐蚀产物的成分及微观形貌进行表征,研究多离子对混凝土的侵蚀机理。结果表明,混凝土在MgSO/NaCl溶液中的表观损伤形式为点蚀,腐蚀产物以水镁石和钙矾石为主,在混凝土表面能够形成稳定的水镁石保护层。而当在混凝土中掺入大量的矿物掺合料时,混凝土内部大量的Ca(OH)与掺合料发生活性反应被消耗,混凝土内部处于低碱度环境。混凝土表面无法形成致密的水镁石保护层而发生表面剥落现象,同时SO与水化产物反应的腐蚀产物转变为石膏。(4)采用Nernst-Planck方程描述离子浓度梯度作用和自感应电场作用,通过对表面离子浓度和扩散系数进行修正,建立了混凝土多离子传输模型。通过采用MATLAB软件对模型进行求解,模拟了混凝土在MgSO/NaCl复合溶液体系中的离子传输规律。模型计算的电势绝对值大小在26.42 mV-63.8 mV之间;此外不同侵蚀龄期各离子的侵蚀深度和分布规律的模型计算结果与实验测试结果基本一致。

关键词：混凝土多离子传输侵蚀机理传输模型矿物掺合料

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冻融循环下混凝土中氯离子传输的理论研究

冻融循环下混凝土中氯离子传输的理论研究

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作者：姜文镪上海交通大学

学位级别：硕士

沿海寒冷地区混凝土结构易受氯盐侵蚀和冻融循环（FTC）双重作用,两者耦合加速钢筋混凝土劣化过程,从而降低混凝土结构使用寿命。基于氯盐侵蚀及冻融循环耦合作用机理,本文将混凝土时变孔隙率与离子等温吸附关系和扩散系数相结合,以此... 详细信息

沿海寒冷地区混凝土结构易受氯盐侵蚀和冻融循环（FTC）双重作用,两者耦合加速钢筋混凝土劣化过程,从而降低混凝土结构使用寿命。基于氯盐侵蚀及冻融循环耦合作用机理,本文将混凝土时变孔隙率与离子等温吸附关系和扩散系数相结合,以此反映冻融作用下孔隙结构演变对离子结合效应和传输速率的影响。时变孔隙率不仅可以反映冻融作用如何改变混凝土孔隙结构,还可以在时间维度上结合冻融循环过程和离子扩散过程。本文采用数值模拟对冻融循环下混凝土中氯离子传输机理进行深入研究。首先,考虑数值模型中骨料的随机分布,建立包含水泥基相、骨料相和骨料-水泥界面过渡区（ITZ）的二维三相混凝土模型。其次,考虑离子结合效应、多离子电化学耦合、温度效应等,获得冻融作用下结合氯离子浓度和自由氯离子浓度的关系,以及多种不同离子在混凝土中的时空分布。然后,基于上述多相多离子模型,对传输过程中一系列重要影响因素,比如水灰比、氢氧根离子浓度、外部氯离子浓度、温度变化等进行详细参数化分析。基于灰色关联分析方法和贝叶斯更新方法,本文对数值模拟结果进行了进一步处理分析。在灰色关联分析方法中,以氯离子在混凝土中的传输深度作为参考序列,衡量多种影响因素和氯离子传输速率的关联程度,从而为沿海寒冷地区的混凝土制备提供参考;在贝叶斯更新方法中,结合实验的个例信息与数值模拟的共性规律,以实验中识别的氯离子传输深度作为先验分布,以数值模拟获得的传输深度作为条件分布,计算出更合理的氯离子传输深度,这可以为准确预测混凝土结构耐久性能提供依据。

关键词：冻融循环氯盐侵蚀离子结合效应时变孔隙率多离子传输

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带碱骨料损伤-氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构电化学修复机理研究

带碱骨料损伤-氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构电化学修复机理研究

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作者：毛丽璇上海交通大学

学位级别：硕士

氯盐侵蚀和碱-硅反应是造成既有混凝土结构耐久性劣化的两个重要原因。基于电化学除氯及锂离子抑制碱-硅反应的基本原理,一种可以同时解决氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀及碱-硅反应引起的混凝土开裂的新的电化学修复法被提出。但修复过程中混... 详细信息

氯盐侵蚀和碱-硅反应是造成既有混凝土结构耐久性劣化的两个重要原因。基于电化学除氯及锂离子抑制碱-硅反应的基本原理,一种可以同时解决氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀及碱-硅反应引起的混凝土开裂的新的电化学修复法被提出。但修复过程中混凝土内部多离子传输机理仍未明确。本文通过数值模拟的方式对电化学迁锂和除氯过程中多场耦合驱动下多离子传输机理进行了深入研究。首先建立了包含水泥基相、骨料相和钢筋相的二维三相电化学修复模型,实现了混凝土数值模型中骨料的随机分布。通过考虑离子吸附效应、电化学反应的发生及多离子电化学耦合,得到了电化学修复后各离子的时空分布特征。研究结果表明:骨料相的存在会使混凝土内部氯离子滞留量增大、锂离子迁入量减少;电化学处理后,钢筋附近区域氯离子浓度明显降低,氢氧根离子浓度逐渐升高,钾钠离子都不断向钢筋附近聚集,锂离子的渗入深度及浓度不断增加。其次基于多相多离子模型,对修复过程中电流密度、通电时间、边界锂离子浓度、环境温度、钢筋排布方式等因素进行了一系列参数化分析。结果表明:虽然电流密度、环境温度的增大对氯离子移除及锂离子迁入有促进作用,但电流密度的增大会明显降低温度升高所带来的正效应,反之亦然;边界浓度的升高会提高锂离子渗入总量和深度、但会抑制氯离子的迁出;电极间距的增大会明显增大氯离子移除总量,但对锂离子渗入总量和深度的影响有限。

关键词：电化学修复氯盐侵蚀碱-硅反应多离子传输

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