非饱和混凝土中多离子传输的细微观尺度时空分布特征研究

This article presents a research proposal on the study of multi-component ionic transport in unsaturated concrete, which is the key for understanding chloride-induced deterioration, durability test and electrochemical rehabilitation of concrete. However, the interactions among multi-component interactions, hydroionic transport and multi-phase modeling of mass transport in concrete have not yet clarified in existing literature. Based on the basic theories and techniques in concrete structures and materials, electrochemistry, physics, chemistry, etc., this proposal aims to fill the following knowledge gaps: the electrochemical coupling mechanism between multi-species in in unsaturated concrete; the hydroionic transport mechanism applied to concrete materials; the more rational and accurate numerical model of multi-phase concrete in meso-micro scale. Finally, through a comparatively overall theoretical and numerical exploration, the spatial-temporal distribution characteristics of multi-component ionic transport in unsaturated concrete will be quantitatively obtained at meso- and micro-scale levels. The results of this research will bring notable significances in understanding ionic transport mechanisms and thus be of great help for the assessment, protection and rehabilitation of concrete durability.

多离子在非饱和混凝土中的传输是服役混凝土结构在离子侵蚀、结构健康监/检测、电化学修复等过程中的本质问题。目前异种离子—水分与离子—混凝土多相结构三者之间的共同作用机制尚未明确。本项目基于混凝土结构与材料科学，借助电化学、物理、化学等多门学科的基础理论和技术手段，1)依据高斯静电理论，研究异种离子间相互作用对其扩散、对流和电迁移综合传输的影响，明确非饱和混凝土中多离子电化学耦合机理；2)通过细微观观测技术和时变网格划分方法，研究混凝土内部孔隙演变情况与水分、离子传输的相互影响规律，提出适用于混凝土的水分-离子耦合传输理论；3)通过骨料和孔隙的随机分布参数控制混凝土的细微观几何结构，引入物质传输控制方程构建并优化非饱和混凝土离子传输多相数值模型。最终得到能够定量、参数化描述多种离子在非饱和混凝土中传输的细微观尺度时空分布特征的分析方法，为混凝土材料和结构耐久性的评估、维护和修复提供理论参考。

多离子在非饱和混凝土中的传输是服役混凝土结构在离子侵蚀、结构健康监/检测、电化学修复等过程中的本质问题。本项目基于混凝土结构与材料科学，借助电化学、物理、化学等多门学科的基础理论和技术手段，1)阐明基于严格的Gaussian静电理论的异种离子间相互作用分别对扩散、对流和电迁移等传输行为的影响；量化混凝土固相的物理吸附、化学结合效应对离子时空分布的具体影响；阐明已固化的氯离子在环境因素下被重新释放为自由氯离子的相关规律；2)表征混凝土内部孔隙演变情况并揭示其与离子传输的相互影响规律；运用微观成像技术完成对混凝土受侵蚀前后的微观形貌分析，阐明纳米改性对物质传输的影响；3)建立基于骨料和孔隙的随机分布参数控制的混凝土细微观几何结构，实现对骨料-砂浆界面过渡区(ITZ)和微观裂缝的精细控制；建立一系列能够完全参数化描述任意形状骨料、ITZ及附着砂浆的混凝土多相/五相数值模型；同时建立考虑骨料形状因子的离子扩散率理论预测模型。为表征离子时空分布特征提供了多种可靠平台。最终提出了能够定量、参数化描述混凝土中多离子传输的细微观尺度时空分布特征的分析方法，为混凝土结构耐久性的评估、维护和修复提供理论参考。