本文是一篇土木工程论文，本文基于混凝土中的氯离子传输行为开展的耐久性研究工作，分析了混凝土中的氯离子传输方式，在已有的研究成果基础上，通过理论分析和数值模拟结合的方法，对高温湿热大气环境中的潮汐区混凝土耐久性能进行了深入研究。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
我国海域辽阔，拥有18000多公里的海岸线和300万平方公里的海域。在海洋强国战略的指导下，我国大力发展海洋工程建设。近年来，我国已建多条海底隧道，多座跨海大桥以及一批重要的海港码头。如图1-1所示的海工混凝土建筑物，这些跨海交通工程和沿海基础工程的建设推动了我国沿海经济和海上对外贸易的快速发展。
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海洋基础工程的建设离不开钢筋混凝土结构的使用，混凝土结构是国家基础建设中使用最为广泛的建筑结构形式。混凝土作为一种复合建筑材料，因其价格低廉、施工方便、适应性较强且具有良好的抗压性能特点而被广泛应用。钢材因其易于成型、生产工艺简单且具有优异的抗拉性也常被用于工程结构中。钢筋和混凝土的结合使用为建筑工程结构的正常使用提供有利保证。众所周知，由于混凝土结构在服役期间容易遭受环境中碳化、冻融和氯离子等环境因素的影响，导致在服役过程中的钢筋混凝土结构发生钢筋锈蚀、混凝土开裂剥落等劣化现象。海洋环境是腐蚀性最为严酷的自然环境，我国向海经济建设中的混凝土结构使用量最多且最为广泛，海洋环境中的混凝土结构耐久性劣化问题越来越突出。由于海水中含有Cl-、K+、I+、Br2+等元素的盐类，是一种强腐蚀性的电解质溶液[1]。钢筋混凝土结构长期暴露在海洋环境中，特别容易遭受腐蚀介质氯离子的侵蚀，导致相当一部分工程结构达不到预定的设计使用年限而过早失效破坏[2]。Mehta[3]在混凝土耐久性报告中指出：在服役期内的混凝土结构耐久性能不足的主要原因是钢筋锈蚀，其次是冻融破坏以及侵蚀环境中的物理化学作用。钢筋锈蚀不仅会削弱工程结构使用性能，而且会产生严重的安全后果和造成巨大的经济损失。
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1.2研究现状
1.2.1混凝土结构中氯离子传输研究
海洋环境中的混凝土结构由于构件所处的环境不同，其劣化机理也存在差异。在早期的混凝土结构耐久性研究中，并没有按区域进行区分研究，较为笼统地认为海洋环境中的混凝土结构处于同一区域，可以取相同的传输系数描述混凝土结构遭受氯离子侵蚀。随着对混凝土结构耐久性的不断深入研究，通过大量的实际数据分析发现，混凝土结构在不同的腐蚀区域内具有不同的传输特性。
1、大气区混凝土中氯离子传输
沿海地区环境恶劣，温度较高、湿度较大、降雨充足，大气中弥散着大量游离的氯离子，大气中的氯离子以盐雾沉积的形式逐渐在混凝土结构表面积聚，位于大气区的混凝土结构容易受到盐雾的侵蚀作用，产生严重的混凝土耐久劣化问题。位于大气区的混凝土结构，氯离子侵蚀主要在海风作用下氯离子以盐雾的方式积聚在混凝土结构表面，在降雨和日照等环境作用下渗入混凝土内部。
Tattoni[14]对位于意大利某码头的大气盐雾区预应力混凝土板进行氯离子含量测定分析，探讨了在碳化作用和氯盐侵蚀共同作用下的预应力混凝土板的腐蚀劣化过程。
Zhang[15]等研究了海洋大气盐雾腐蚀环境下混凝土内部的氯离子浓度分布情况。研究结果表明：混凝土结构表面的温湿度变化与大气环境中的温湿度变化之间存在差异。影响混凝土结构中氯离子侵蚀的因素主要有温度、相对湿度、混凝土强度以及试件所处的位置等。同时研究还发现，在对长期遭受氯盐腐蚀的混凝土结构进行氯离子传输预测时，应考虑时变效应对氯离子传输的影响。
Grefstad[16]和Maage[17]等研究了滨海大气区雨水对混凝土水化产物的影响，发现严重暴露于雨淋的地方，雨水冲刷效应较为明显，Ca2+离子的流失较多，孔隙劣化比较严重。
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第二章混凝土中氯离子传输模型及影响因素分析
2.1混凝土中氯离子传输机理
在我国沿海、近海岸地区，大型桥梁结构的耐久腐蚀性问题十分严峻。大部分工程结构自建成以来就暴露在氯盐腐蚀环境中，随着时间的推移，结构遭受氯离子侵蚀的作用越来越明显。海水中的氯离子通过混凝土结构表面的微孔隙通道渗入混凝土内部，随着侵蚀时间的增长氯离子逐渐积聚在钢筋表面。当达到临界氯离子浓度值时会造成钢筋脱钝，失去钝化膜的保护后便会诱发钢筋锈蚀，进而导致结构耐久性能劣化等问题。
目前，普遍将混凝土中氯离子的传输视为带负电离子在混凝土孔隙溶液中迁移的过程。各国学者对混凝土结构中的氯离子传输做了大量研究工作，混凝土中的氯离子传输过程涉及的影响因素较多、且传输过程极为复杂。混凝土中氯离子的传输机制主要有：扩散作用、毛细作用、渗透作用以及电迁移作用等[4],[113]。
2.1.1扩散作用
将混凝土中的氯离子在浓度梯度作用下的移动过程定义为扩散作用。扩散作用一般分为两种形式，一种是在物质传输过程中，物质的量浓度不随时间和位置变化的稳态扩散；另一种是单位时间内物质移动过程中的物质的量浓度不等，在物质移动过程中物质的量浓度在时间和空间上都发生变化的非稳态扩散。
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2.2多因素耦合作用下的氯离子传输模型
为了研究氯盐腐蚀环境中混凝土结构的耐久性，首先需要明确混凝土中的氯离子传输机理，然后建立氯离子传输模型，这样才可以进一步分析氯盐腐蚀环境中混凝土结构的耐久性能劣化问题。氯离子传输模型是进行混凝土结构耐久性评定和后期维修、加固养护的理论基础。混凝土结构中的氯离子传输行为通常采用Fick第二扩散定律进行描述。Collepardi[63]等人最先使用该模型来描述饱水状态下的氯离子传输行为。随着人们对混凝土中氯离子传输模型的深入研究，发现Fick第二定律扩散模型存在局限性，并不适用于某些特殊的环境。因此，针对不同的氯盐腐蚀环境，考虑多种因素的耦合影响对准确分析混凝土中的氯离子传输很有必要。
在氯离子传输模型中，重要传输边界条件是混凝土表面氯离子浓度。它是分析氯离子扩散过程的重要参数。国内外研究学者发现混凝土表面氯离子浓度随着时间的推移不断增大，当经过一定的腐蚀时间之后，混凝土表面氯离子浓度不再持续增大而是处于一个稳定状态。美国Life-365服役寿命预测模型认为[64]，海洋环境中混凝土结构表面氯离子浓度在服役过程中具有很强的时变性。
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第三章湿热耦合作用下水分传输研究.............................22
3.1混凝土温度场分析....................................22
3.1.1热传导理论.................................22
3.1.2混凝土热工参数取值..................................23
第四章混凝土骨料对氯离子传输的影响................................35
4.1混凝土随机骨料模型..................................35
4.1.1圆形骨料投放过程...............................35
4.1.2随机骨料模型生成实例..........................36
第五章北部湾海域混凝土结构氯离子侵蚀研究..............................49
5.1北部湾海域环境.................................49
5.1.1气象环境条件.................................49
5.1.2海水的化学成分...............................51
第五章北部湾海域混凝土结构氯离子侵蚀研究
5.1北部湾海域环境
本文主要以“氯盐环境铁路钢筋混凝土刚架桥荷载与环境耦合作用机理及防治措施研究”项目为背景，该项目以广西北海铁山港铁路刚架桥为课题研究对象。铁山港是广西的天然深水大港，位于北海市东部，地处亚热带海洋性季风气候区，冬无严寒，冬季平均温度7.9℃左右；夏无酷暑，平均最高气温为34.3℃。夏季降雨充沛，月降水量为900mm，湿度较大。
铁山港地区常年处于高温多雨环境中，在此环境中的混凝土结构长年遭受日照、降雨、海水的冲刷和氯盐的侵蚀，混凝土结构的耐久性能面临巨大的考验。因此，从混凝土耐久性能出发，开展海洋气候环境对混凝土氯离子浓度传输分布的影响。不仅可以为在役混凝土结构的使用寿命起到很好的预测和评估作用，也对其养护维修提供科学的理论指导。
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第六章结论与展望
6.1结论
本文基于混凝土中的氯离子传输行为开展的耐久性研究工作，分析了混凝土中的氯离子传输方式，在已有的研究成果基础上，通过理论分析和数值模拟结合的方法，对高温湿热大气环境中的潮汐区混凝土耐久性能进行了深入研究，得到以下主要结论：
（1）针对混凝土中的水分传输特点，分析了干湿循环交替作用下的混凝土内部水分变化情况，考虑混凝土表面湿度变化对水分扩散系数的影响。研究表明，随着干湿交替作用腐蚀时间的增大，混凝土内部的水分传输逐渐趋于稳定。干湿交替作用下混凝土内部湿度变化主要集中在混凝土表层位置处，在干燥和湿润过程中表层位置处的湿度变化最为明显，随着深度的增加这种变化规律逐渐削减。
（2）基于混凝土的温度场理论，分析了大气温度变化对混凝土内部温度场的影响。根据干湿循环过程中的水分传输特点，考虑了混凝土温度对水分传输的影响。通过数值模拟分析了湿热耦合情况下的水分传输过程。研究结果表明，随着温度的升高，混凝土内部湿度均有所增大。在低湿度环境中，温度升高对混凝土内部湿度变化影响不大；但在高湿度环境中，温度变化对混凝土内部湿度的影响更加明显。
（3）针对混凝土材料的不均匀性，将混凝土看作是三相组成的复合材料。利用MATLAB编写程序建立细观混凝土随机骨料几何模型，并通过COMSOL服务器将得到的骨料几何模型导入COMSOL多物理场耦合分析软件并进行网格划分。从细观角度出发，定量分析了骨料特征参数和界面区特性对氯离子传输的影响。骨料随机分布形式和体积分数在一定程度上影响混凝土内的氯离子传输和分布。研究表明骨料的曲折效应有效的阻碍氯离子的传输，氯离子的传输路径发生改变。氯离子的扩散深度随骨料体积分数的增加呈明显的下降趋势，且这种下降趋势随氯离子侵蚀时间的延长越加明显。当细观混凝土随机骨料模型中的骨料体积分数从15%依次增加到55%时，相应的氯离子最终扩散深度则由48.76mm下降到27.02mm，氯离子扩散深度降低44.6%。考虑骨料-砂浆界面区的扩散特性，研究发现界面区对混凝土中的氯离子传输具有加速作用。
参考文献（略）