荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究_胡哲.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金（）；上海市“青年科技启明星计划”（）；上海交通大学深蓝计划（）（），（），（）：.荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究胡 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 上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室，上海 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 数值模型中图分类号：文献标识码：，引言氯离子引起的钢筋锈蚀是沿海地区混凝土结构耐久性劣化的首要原因。由于氯离子可以通过混凝土保护层中的孔隙渗透到结构内部，当钢筋附近的氯离子浓度超过阈值时，钢筋表面钝化膜破坏引发钢筋锈蚀，从而引起钢筋混凝土结构损伤，耐久性遭到破坏。混凝土自身存在不连通的微裂纹和孔隙，混凝土结构通常会在荷载作用下长期服役，混凝土中的微裂缝会逐渐扩展为宏观裂缝，与此同时荷载会改变混凝土中的孔隙分布，孔隙会逐渐连通，进一步加速环境中的有害介质侵蚀。因此，深入理解荷载作用下混凝土中氯离子的传输规律是防治钢筋锈蚀、维持滨海混凝土结构正常工作性能的关键。近年来，国内外学者开展了一系列试验对荷载与氯离子传输的共同作用机制进行探索。等设计了在拉伸和压缩荷载下水分和氯离子扩散的实验装置。等提出了一种标准的实验方法，在不同实验室测量了受荷混凝土氯离子浓度分布的变化。此外，还有学者分别开发了不同荷载形式（如静力弯曲、疲劳、剪切、交变荷载等）与氯盐耦合作用的实验装置。但总体上看，如秦晓川等指出，当前研究仍处于起步阶段，研究的系统性和试验方法的规范性均有待完善，且缺乏定量层面的精确描述。为此，一部分学者开始提出计算或数值模型研究荷载作用下的氯传输规律。和 等通过加载下的氯离子传输实验数据，总结出等效氯离子扩散系数的计算公式来体现荷载的影响；等基于有限元方法在宏观尺度研究了荷载作用下氯离子的侵蚀预测模型；等基于弹性理论提出 相球模型，描述了在低应力下荷载孔隙率的关 系；杜修力等通过塑性损伤模型研究了压缩荷载下的氯离子扩散行为；等提出晶格模型建立了在荷载作用下混凝土开裂和氯离子传输的模型；等使用近场动力学模型模拟了氯离子渗透进入混凝土这一过程；等基于扩展有限元方法建立了混凝土开裂和氯离子传输的模型。上述模型方法从不同方面揭示了荷载作用下离子的传输规律，但都主要侧重于单一离子的传输，同时荷载大小、荷载加载方式等因素对离子传输的具体影响也有待进一步讨论。为了深入研究荷载作用与多离子传输的耦合作用机理，本工作建立了荷载作用下的孔隙结构损伤和开裂模型，同时基于高斯静电理论并结合质量守恒方程，建立了考虑多相组成的开裂混凝土中的多离子传输模型，并通过第三方试验验证了模型结果的可靠性。另外，探讨了不同荷载大小和加载方式下对多离子传输结果的影响，分析了荷载作用下采用多离子和单一离子传输模型在预测结果上的差异，同时也讨论了荷载作用下环境条件的变化对氯传输的影响。本研究将有助于加深对荷载作用下钢筋混凝土氯盐侵蚀问题的理解，为更好地预测和保障沿海地区的钢筋混凝土耐久性寿命提供理论参考。模型建立图 展示了荷载作用下混凝土中多离子传输机理。服役混凝土结构不可避免地受到荷载的影响，荷载的持续作用往往导致混凝土损伤和开裂，通常来说两种现象是同时发生的。从细微观尺度上看，荷载作用导致孔隙内部应力的增加，进一步促使孔隙结构发生改变；从宏观尺度上看，由于混凝土存在初始缺陷，荷载使得混凝土内部应力集中，从而导致混凝土产生开裂，粗化的毛细孔结构和裂缝会进一步加速离子的侵蚀作用。而由于混凝土孔隙溶液中存在、等多种离子，离子传输过程中异种离子之间会由于局部电荷不守恒而产生电化学耦合效应，同时氯离子还会与水泥浆体发生物理或化学结合效应。基于前述机理，本节首先提出荷载下混凝土的损伤和断裂模型，用来描述在荷载作用下混凝土孔隙结构和裂缝形态的变化，然后结合质量守恒方程和高斯静电理论建立多离子电化学耦合传输模型，最后根据有限元方法建立混凝土四相几何模型并进行网格划分和求解。图 荷载作用下的多离子传输机理示意图（电子版为彩图）荷载作用下的损伤和断裂模型荷载作用下的混凝土内部孔隙结构会发生粗化。当荷载增加时，对氯离子传输影响较大的毛细孔的比例增大，直观表现为混凝土孔隙率的增加。同时，混凝土在服役过程中水泥浆体会发生化学反应，形成的产物在硬化后有粘结性质，能够减小混凝土中的孔隙率。孔隙率可以表示为混凝土中各种孔隙的总和，考虑到水泥浆体中各类孔隙分布的复杂性，需要一个简洁的模型从细微观尺度上预测孔隙率的大小。在本研究中，混凝土孔隙率 主要受到荷载和水化作用的影响，可以表示为：（）（）式中：表示受水化作用影响下的孔隙率变化量，与水化程度 成正比；表示受到应力作用影响下的孔隙率变化量，与应力水平计算得到孔隙率 成正比；表示初始孔隙率。在未受到荷载作用时，水泥浆体主要成分（如凝胶、凝胶孔、毛细孔和未水化水泥颗粒等）的体积可通过水灰比和混凝土骨料体积分数确定，的计算公式为：（）式中：表示水灰比，是混凝土骨料体积分数（）。水化程度 （）随时间逐渐发生改变，这一过程可以用公式表示为：（）（）（）本工作主要研究拉应力下混凝土的损伤和断裂，拉应力被认为是混凝土遭受破坏的主要因素之一，。不同的应力水平会对混凝土造成不同程度的损伤或开裂，有实验得出在单轴拉伸状态下，应力水平低于 时，应力主要会对混凝土孔隙结构造成损伤，新生裂缝可以忽略不计；而当应力水平高于 时，应力会进一步影响混凝土孔隙结构分布，同时初始微裂纹开始扩展形成宏观裂缝。本研究将综合考虑以上两种情况。当应力水平较低时，有学者基于多相球面模型指出压缩荷载作用下孔隙率和混凝土应变之间呈近似线性关系，也有学者通过实验发现，在轴向拉伸应力状态且应力水平低于时，混凝土孔隙率和应力之间呈线性关系。基于上述发现，在低应力水平下，荷载与孔隙率之间的关系可近似表示如下：（）式中：为常数，由实验数据测定；表示应力水平，反映的是施加应力和混凝土极限应力 的比值。材料导报，（）：而当应力水平较高时，混凝土同时发生损伤和断裂，孔隙率和应力之间的关系呈非线性。混凝土断裂时的应力可以通过 模型计算得到，公式可以表示为：（）式中：表示发生断裂时的应力（等价于应力水平与极限应力的乘积）；表示弹性模量（）；表示断裂所需要的能量（）；表示内部既有微裂缝长度（）。对于此时的孔隙变化，孔隙率 与弹性模量 以及断裂能 的关系可如下式表示：（）（）（）式中：、均为待定系数；、表示初始弹性模量（）和断裂能（）。将式（）代入到式（）中，可以得到断裂状态下孔隙率和应力之间的关系：（）式中：、为常数，由实验数据测定；为混凝土在受荷状态下的孔隙率。因此，将式（）和式（）代入式（）可以推导出在不同荷载情况下孔隙率与应力水平及水化程度的关系，计算公式可以表示为：（），（），（）式中：表示应力水平；表示与孔隙率的影响系数，在拉应力下通常取；表示在不同环境下的水化程度影响系数，在常温下取。同时，在荷载作用下的局部应力集中会导致混凝土开裂，基于断裂状态下混凝土极限应力的变化情况，根据 的断裂准则计算得到的能量释放率与裂缝长度关系，可以推导出断裂应力与裂缝长度的计算公式如下：（）式中：表示能量释放率（）；表示裂缝的长度（）；表示断裂时的应力（）；表示混凝土的断裂韧性（）。通过公式，可以计算得出不同应力水平下开裂混凝土中的宏观裂缝长度，同时可将计算得到的裂缝作为混凝土数值模型中新的一相（在裂缝相中，各种离子的传输速率将大幅增加），具体将在 节中详细说明。多离子电化学耦合传输模型由于服役混凝土自身材料组成以及所处环境的复杂性，除氯离子外，其内部孔隙液中还存在、等多种离子，异种离子间的电化学耦合效应会影响包括氯离子在内的离子传输。混凝土中各种离子随时间的浓度变化满足如下的质量守恒方程：（）（）（，）（）式中：、分别代表结合离子和自由离子的浓度，；为第 种离子的通量，（）；为离子种类的数目。根据能斯特普朗克方程，第 种离子的通量可表示为：（）式中：为第 种离子的扩散系数，；为第 种离子的电荷数；为法拉第常数，；为理想气体常数，（）；为绝对温度，；为静电势，；两项分别表示扩散通量和电迁移通量。基于广义有效介质理论，离子的扩散系数与孔隙率之间存在对应关系，具体可表示为：（）（）（）（）式中：为孔隙溶液中初始的扩散系数，表示常数。如前所述，静电势是由于孔隙液中存在的局部电荷不平衡产生，本研究采用基于严格 静电理论的 方程来计算孔隙液中的静电场分布：（）式中：为真空介电常数，；为 下水的相对介电常数，取 。本工作主要考虑的混凝土溶液中的自由离子为、四种离子，对于其中氯离子与水泥水化产物之间可能发生的吸附结合效应，可采用 等温吸附方程来表示自由氯离子与结合氯离子之间的关系，结合氯离子的浓度 可以表示为：（）（）式中：，为实验修正的 等温吸附常数；为无量纲的常数，一般取为。因此，将式（）、式（）、式（）代入到式（），可以得到：（）|（）（）（）|（）至此，荷载作用下的多离子传输模型构建完成。其中所提出的式（）和式（）分别用于描述荷载作用下孔隙率和裂缝长度的变化。式（）和式（）用来于描述多离子电化学耦合传输过程，可计算各种离子在受荷开裂混凝土中的时空变化。有限元模型与网格划分为求解 节建立的偏微分方程组，本节将采用有限元方法建立包含砂浆、骨料以及砂浆骨料界面过渡区（）以及裂缝的混凝土多相数值模型，如图 中以尺寸 的几何为例。由于在本文所研究的工况以及验证试验中，氯盐均由外部边界向混凝土内部进行近似于一维的单向侵蚀，模型已能很好地表征传输过程。几何模型中的圆形区域代表直径 、体积分数为 且符合 级配的骨料，环绕骨料的区域为，其余部分为砂浆。由于在以扩散为主导的传输模型中，骨料的影响相对较小，为了便于计算，本研究主要采用圆形骨料。砂浆中的氯离子渗透系数可由式（）计算，的厚度通常被认为荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究 胡 哲等 在 之间，本模型中采用 ，中的氯离子扩散系数取砂浆中的五倍，而骨料被认为是不可渗透的。由荷载作用而产生的宏观裂缝被作为第四相加入到数值模型中，离子在其中的扩散系数通常取砂浆中的 倍。需要注意的是，式（）和式（）的数值解精度高度依赖于网格尺寸，因此为了得到较为精确的数值解，网格的最小尺寸为。图 混凝土几何模型与网格划分 模型验证混凝土在荷载作用下离子传输的实验装置主要参考 标准实验。该试验设计了一种可以持续提供拉应力或压应力的实验装置，如图 所示，实验中为避免试块受到偏心影响，混凝土试块被固定到装置的中心位置。通过施加不同的拉应力水平，即拉伸应力与极限应力的比值来测试不同应力状态下氯离子的侵蚀情况。混凝土试块一侧浸泡在质量分数为 的氯化钠溶液中，并使用（）速度的泵维持氯离子浓度保持不变。图 展示了试件的尺寸和边界条件，其混凝土部分的截面尺寸为 ，实验温度范围在（）（）。图 荷载作用下氯离子侵蚀混凝土试验：（）装置示意图；（）边界条件 ：（），（）本研究从氯离子扩散系数和氯离子浓度分布两个角度对模型的可靠性进行验证。第一组验证了氯离子扩散系数在荷载作用下随时间和应力水平变化的结果，分别选取了 等和 等的实验进行验证。第二组验证了氯离子浓度随扩散深度变化的结果，选取了 等的实验进行验证。氯离子扩散系数的验证由于本研究采用了混凝土多相模型，为了能够得到混凝土表观扩散系数，需要分别计算出不同相的氯离子扩散系数进行加权得到整体的表观扩散系数。等的实验描述了应力水平分别在、下氯离子扩散系数的变化（如图 所示），该实验的水灰比为，初始扩散系数取。从图 中可以明显看出，应力水平下的扩散系数比 应力水平下的更大，说明荷载可以粗化孔隙、增大氯离子扩散系数；同时扩散系数又随时间延长呈现逐渐减小的趋势，这是因为随着时间的延长，水化作用程度在增大，而荷载大小保持不变，水化反应在实验过程中对氯离子扩散系数的变化起到了主导作用。图 展示了拉应力下扩散系数随应力水平的变化，选取文献的实验设置，水灰比取，初始扩散系数为。当应力水平低于 时，扩散系数变化幅度较小且呈现线性增加；当应力水平高于 时，扩散系数变化幅度较大且不再线性变化，这是由于应力水平大于，混凝土开始出现宏观裂缝，进一步增大混凝土的扩散系数。综合来看，对于氯离子扩散系数的变化，本模型的预测与实验得到的结果十分吻合。图 氯离子扩散系数值结果与实验结果的验证：（）随时间的变化；（）随应力水平的变化 ：（）；（）氯离子浓度分布的验证根据 等在实验中的设定，使用 质量分数的氯化钠溶液浸润在混凝土试件的一侧，同时保持应力水平为，重点关注第 周、第 周和第 周时氯离子的分布情况。其中验证 氯离子浓度的初边值条件以及初始扩散系数等关键参数的设置如表 所示。材料导报，（）：表 模型验证中的离子传输参数设置 主要参数边界条件 初始浓度 初始扩散系数 离子电荷数基于 节中所建立的数值模型，计算出不同扩散深度截面中的氯离子浓度的平均值并与实验数据进行比较。图 展示了氯离子浓度随扩散深度的数值与试验结果的对比，总体上看，二者基本一致。可以发现氯离子的浓度沿混凝土扩散深度方向逐渐降低，同时随着扩散时间的延长，相同深度的氯离子浓度有较为明显的提升。图 氯离子浓度随扩散深度变化的数值与实验结果对比 综合 节和 节的验证结果，分别证实了本研究建立的损伤模型、断裂模型以及多离子电化学耦合传输模型的可靠性，表明了模型能够较为准确地描述荷载作用下的氯盐侵蚀过程。接下来，将运用本模型针对影响氯离子传输的各类参数及相关规律进行具体的分析。分析与讨论为了进一步研究荷载作用下混凝土中的离子传输规律，本节以受拉荷载为例，选用 节所展示的几何模型。主要考虑的自由离子为、和，其边界条件和初始扩散系数选用 中的 标准实验参数如表 所示，其余参数与表 相同。本小节首先将研究荷载对多离子传输的影响，探讨荷载大小，施加方式的改变对氯离子分布及多离子耦合效应的影响，然后探讨荷载作用下的电化学耦合效应以及环境条件改变（如盐溶液浓度）对氯离子传输的影响。表 本节中的离子边界条件设置 主要参数边界条件 初始扩散系数 荷载对多离子传输的影响 荷载大小荷载的增加会改变混凝土孔隙结构，特别是当荷载较大时，还会进一步使得裂缝发生扩展，引起裂缝形态的变化，因此研究不同大小的荷载对离子传输的影响程度是本工作首先需要讨论的问题。本小节选择三种不同的拉伸荷载大小，持续作用应力水平分别为、。图 展示了荷载大小发生变化时氯离子浓度的时间和空间分布情况。图 展示了在 扩散深度截面处，不同应力水平下氯离子浓度随时间变化的差异。从图中可以发现在相同的时间下，应力水平越大氯离子浓度越高。这是因为较大的荷载引起裂缝扩展的同时，也引起孔隙率粗化使得砂浆中的扩散图 不同荷载大小下的氯离子浓度分布对比：（）氯离子浓度随时间分布；（）氯离子浓度的空间分布（电子版为彩图）：（）；（）荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究 胡 哲等 系数变大，共同导致了混凝土保护层中氯离子浓度的增加。图 中同时绘制了 应力水平相较于 应力水平下的氯离子浓度增长率曲线，可以看出增长率随时间延长逐渐减小，说明随着时间的延长，该截面处的氯离子已经充分扩散，不同应力水平下的氯离子浓度差异逐渐减小。图 展示了相同时刻不同应力情况下混凝土中氯离子浓度的空间变化规律，从图中可以明显看出随着荷载的增加，裂缝发生扩展，长度增长。由于裂缝为离子传输提供了一个更加快速的通道，相同时间内更多的氯离子可以侵入到混凝土内部。与图 类似，图 中 和 应力水平下氯离子浓度的差异远小于 和 应力水平下的差异，这也是由于裂缝的出现导致离子更快的到达 深度，此后该处的离子浓度变化相较裂缝出现之前要平缓得多。关于荷载大小对多离子传输的影响，图 选取了三种应力大小下混凝土内最大电势的分布情况。从图 可以看出，浅层混凝土的静电势相较于混凝土深处的数值更大，变化更剧烈，说明该区域多离子之间的电化学耦合效应更显著。在相同的情况下，应力水平下的电势更高，在扩散深度为 处最大电势高达 ，扩散深度为 处最低电势大约为，相比于 应力水平的情况，其电势的落差更大，且峰值出现的位置更远，这是由于较大荷载使得混凝土整体孔隙率增加，离子的扩散系数增大，从而使得基于电化学耦合的异种离子之间相互作用更加明显。图 不同荷载大小下电势分布随扩散深度的变化（电子版为彩图）荷载施加方式考虑到现实中结构荷载经常发生变化，混凝土在服役期间可能出现不同的加载情况，本节对比了在荷载加载和卸载两种典型情况下对氯离子传输产生的影响。所采取的卸载方式是应力水平从 到 随时间延长均匀减小，而加载方式是应力水平从 到 随时间延长均匀增加。根据式（），当应力水平低于 时，荷载主要影响的是混凝土的孔隙率。图 展示了氢氧根离子和氯离子随扩散深度的分布情况。氢氧根离子在溶液内随着扩散深度的增加逐渐增加，氯离子随着扩散深度的增加逐渐减少。这是由于传输过程主要由扩散主导，离子的传输会向浓度低的方向进行。由于混凝土内部的碱性环境，氢氧根离子浓度相对较高，随着时间的延长氢氧根离子会逐渐向外部扩散。氯离子则刚好相反，氯离子在混凝土内部的初始浓度较低，来自外界的侵蚀使得氯离子浓度逐渐增加。对比两种不同的加载方式，在相同传输时间内，卸载方式下氯离子浓度更高，氢氧根离子浓度更低；加载方式下氯离子浓度更低，氢氧根离子浓度更高。这是因为卸载方式下传输初期的总体荷载更大，对离子扩散所产生的影响更为显著。同时从图 中还可以看出，无论是第 还是第 ，卸载时的氯离子浓度均比加载时的氯离子浓度更高，但是两者之间的差距有逐渐减小的趋势，这是因为混凝土内还同时发生着水化反应，在一定的时间尺度上会降低孔隙率，减慢离子的传输。图 不同加载方式下氯离子和氢氧根离子浓度随扩散深度的变化情况（电子版为彩图）关于荷载施加方式对多离子传输的影响，图 展示了上述加载和卸载方式下，混凝土内部 和 扩散深度处电势随时间的变化情况。可以看到在卸载时，电势逐渐从正值演变为负值，而加载时电势始终为正值。还可以发现，两种加载方式的最低电势差异较大，卸载方式下最低电势为，而加载方式下最低电势为 。此外，加载方式下在 深度处的静电势比 处更大，而卸载方式下这种差异并不明显。这些都说明了荷载施加方式的不同，会为混凝土中的局部电荷不平衡现象乃至异种离子间的电化学耦合效应带来一系列微妙的影响。图 不同加载方式下电势随时间的变化情况（电子版为彩图）材料导报，（）：电化学耦合效应对氯离子传输的影响为了更好地展示多离子间的电化学耦合效应对氯离子传输的影响，本节着重分析荷载作用下考虑多离子（、）与仅考虑单一离子时对氯离子传输预测的差异。图 展示了不施加荷载和应力水平为 的荷载两种情况下，采用单一离子传输模型和多离子传输模型在第 时氯离子浓度分布和总渗透量的对比。从图 中可以发现，在相同的扩散深度下，考虑多离子时的氯离子浓度相比只考虑单一离子时更高，而当施加荷载之后，这种差异更加明显。图 定量展示了在施加荷载后考虑了异种离子间电化学耦合效应的氯离子浓度相比仅考虑单一离子增长了（不施加荷载作用时则是）。因此，可以看到电化学耦合效应会在一定程度上加剧氯盐侵蚀，并且随着荷载的增加，这种影响会被进一步放大。这主要是因为荷载的施加会加速离子的传输，导致异种离子间的相互作用更加剧烈。图 荷载作用下考虑单一离子和多离子传输时的氯离子浓度差异对比：（）不同扩散深度平均值；（）氯离子总渗透量 ：（）；（）盐溶液浓度对氯离子传输的影响混凝土建筑物在不同的服役环境下会面临不同程度的氯离子侵蚀。考虑到外部氯化钠溶液浓度会显著影响氯离子的扩散梯度，为了研究在不同浓度下的盐溶液环境对荷载氯盐共同作用的影响，本节设置了、三种不同质量分数的盐溶液，分别对应了 、的氯离子浓度。图 展示了在不同的外部盐溶液影响下自由氯离子和结合氯离子的浓度随时间变化的情况，可以明显看出外界盐溶液浓度增加时，混凝土内部的自由氯离子和结合氯离子浓度都会增大。仔细观察图 还可发现，自由氯离子浓度的增长速率会随着时间延长逐渐降低，盐溶液浓度越高，离子传输达到稳态所需的时间越长。荷载的施加会显著增加自由氯离子浓度，其增加的程度在高浓度盐溶液环境中会比在低浓度盐溶液环境中的更明显。而对于结合氯离子，从图 的曲线中可以观察到其浓度的增长速率是随着时间的延长而升高的。荷载施加与否同样会影响结合氯离子浓度，但这一影响在不同盐溶液环境下相较其对自由氯离子的影响程度较小。总之，外界盐溶液浓度会对荷载作用下的自由 结合氯离子产生不同程度的影响，因而在结构的设计过程中对各种环境条件的考虑也十分必要。图 不同盐溶液浓度下氯离子浓度随时间变化对比：（）自由氯离子浓度；（）结合氯离子浓度 ：（）；（）结论（）荷载作用会从孔隙结构、裂缝形态以及静电势的分布等多个角度影响离子的传输规律。研究发现当施加持续荷载时，同一截面下应力水平越大的氯离子浓度越高，当应力水平高于 时，不仅会增大孔隙率，还会产生裂缝，显著加速氯离子的扩散；而当裂缝开始出现后，进一步增加应力水平对氯离子传输的加速作用较裂缝出现之前会相对减弱。而当荷载施加方式改变时，卸载时混凝土内部的氯离子浓度相比加载时的更高，氢氧根离子浓度更低，但随着时间的延长，两种加载方式下的离子浓度差距逐渐减小。（）多离子间的电化学耦合效应会加剧氯盐侵蚀，建立模型时若只考虑单一离子会导致对氯离子摄入量的预测偏低。特别是在荷载作用下，异种离子间的相互作用会更加明显，电化学耦合效应对氯离子传输的促进作用会更加显著。荷载对多离子间相互作用所产生的静电场的影响同样显著。应力水平越大，混凝土孔隙液中高电势位置和低电势位置之间的电势落差越大，而当荷载施加方式不同时，静电势的分布也都随时间延长呈现不同的演变规律。荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究 胡 哲等 （）盐溶液浓度的变化也会对荷载作用下混凝土中自由 结合氯离子的分布规律产生不同程度的影响。总体上看，较高的外部盐溶液浓度会同时增加混凝土内部的自由氯离子和结合氯离子的浓度。对于自由氯离子，离子浓度的增长速率会随着时间延长逐渐降低，盐溶液浓度越高，离子传输达到稳态所需的时间越长，荷载的施加与否会对不同盐溶液浓度下自由氯离子的浓度差异产生较为显著的影响。而对于结合氯离子，离子浓度的增长速率会随着时间延长逐渐升高，荷载是否施加在不同盐溶液环境下对结合氯离子的影响均比对自由氯离子的影响更小。因此，在结构设计中也应当充分考虑各种环境条件变化对混凝土强度及耐久性的影响。上述结论有助于更好地理解荷载作用下的钢筋混凝土结构中离子的传输规律，有利于在结构设计中更加充分地考虑荷载氯盐共同作用对钢筋混凝土的影响。对于未来的研究，目前的工作还可在以下两个方面得到改进。首先，可采用断裂力学方法更加真实地模拟荷载作用下混凝土的裂缝形态；其次，可将工作扩展至不同的荷载类型条件，以更全面地探索多种荷载类型下离子非线性耦合传输的规律。参考文献 ，（），（）张成琳，刘清风材料导报，（），（），（）李林洁，刘清风硅酸盐学报，（），（），（）刘志勇，吕永高，周新刚，等工业建筑，（），（），（）杜修力，金浏，张仁波建筑结构学报，（），（），（）金浏，杜修力，张仁波工程力学，（），（），（）马昆林，王中志材料导报，（），（），（），（），（），（）殷素红，郭高峰，张二猛，等华南理工大学学报（自然科学版），（），（），（）关博文，杨涛，吴佳育，等建筑材料学报，（），（），（）邹斌，詹树林硅酸盐通报，（），（），（）喻宣瑞，姚国文材料导报，（），（），（）秦晓川，刘加平，石亮，等材料导报，（），（），（），（），（）金浏，张仁波，杜修力工程力学，（），（），（）杜修力，金浏，张仁波建筑材料学报，（），（），（）叶启军，喻军，龚晓南材料导报，（），（），（）武利强，章晓桦，蒋林华，等材料导报，（），（），（），（），（），：，（），（），（）陈伟康，刘清风水利学报，（），（），材料导报，（）：，（），（），（）黄兰可重庆理工大学学报（自然科学），（），（），（），（）严宇飞，李方义重庆理工大学学报（自然科学），（），（责任编辑 李承佳）胡哲，于郑州大学获学士学位，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院硕士研究生，在刘清风教授的指导下开展研究。主要研究方向为荷载作用下混凝土耐久性研究以及数值方法和机器学习技术在其中的应用。刘清风，通信作者，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授、博士研究生导师。国家优秀青年科学基金获得者、古斯塔沃科洛内蒂奖章获得者、中国硅酸盐学会青年科技奖获得者，曾入选中国科协青年人才托举计划等。兼任国际材料与结构研究联合会（）、国际结构混凝土学会（）、英国土木工程学会（）、中国硅酸盐学会、中国建筑学会、中国大坝工程学会等 家学术组织的专家委员 理事。长期致力于混凝土结构耐久性研究，在多离子传输机制、细微观数值表征、电化学修复技术、既有结构寿命预测、纳米材料改性机理等研究方向上取得多项成果，发表论文 余篇，被 引用 余次，为，入选斯坦福大学全球前 顶尖科学家榜单。主持国家和省部级纵向课题 项，入选国家和省部级人才计划 项。荷载作用下开裂混凝土中多离子传输的数值研究 胡 哲等