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水 利 学 报

2021 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2021）05-0622-11

干湿交替下混凝土中水分和多离子耦合传输的数值研究

陈伟康 ，刘清风 1，2
1
（1. 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；
2. 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）

摘要：干湿交替区混凝土结构的耐久性问题非常突出，非饱和混凝土中的氯离子传输在受到水分对流效应主导的
同时，由于混凝土孔隙液中始终存在着多种自由离子，异种离子间的电化学耦合效应对氯传输的影响同样不可忽
视。本文着重考虑多离子间电化学耦合效应和水分对流效应对氯离子传输的共同影响，建立经第三方实验验证的
水分-多离子耦合传输模型。通过数值研究发现，干湿交替下多离子间电化学耦合效应会在孔隙液中产生时变的
静电势，并对传输预测造成显著影响，10 个干湿循环后考虑多离子传输的氯离子含量可达单一离子传输的 1.26
倍。同时发现干湿时间比的减小，干湿循环次数的增加，干燥过程水分边界饱和度的减小，三者均会放大电化学
耦合效应对氯离子传输的影响。结果表明在干湿交替环境下，若仅考虑单一离子传输会导致对氯离子摄入量的预
测偏低，致使混凝土的耐久性设计偏危险。
关键词：干湿交替；非饱和混凝土；水分；多离子；氯离子；电化学耦合
中图分类号：TU528 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20201099

1 研究背景

氯离子引起的钢筋锈蚀是滨海和沿江区域混凝土结构出现耐久性问题的主要原因 ［1-3］ 。氯离子在
混凝土内部孔隙发生由表及里的传输，当钢筋表面的氯离子浓度到达阈值时，钢筋表面的钝化膜就
会被破坏并开始锈蚀 ［4-6］ 。理解氯离子在混凝土中的传输机理是防止钢筋锈蚀和维持混凝土结构正常
工作性能的关键。
出现严重锈蚀问题的混凝土结构大多处于干湿交替区，混凝土长期处于非饱和状态 ［7-9］ 。这里的
氯离子在浓度梯度和水分传输的共同作用下，以相对较快的速度侵入混凝土内部 ［10］ 。为了能够更加
准确地预测氯离子的浓度分布和渗透深度，国内外众多学者基于扩散-对流过程提出解析和数值模型
来研究干湿交替下的氯离子传输问题 ［11-15］ 。
值得注意的是，服役中的混凝土由于自身材料组成以及所处外部环境（海洋、盐湖、除冰盐）的
复杂性，其内部孔隙液中呈现的始终是一种多离子共存状态，异种离子间的电化学耦合效应将影响
包括氯离子在内的每一种离子的传输 ［16-18］ 。起初，学者们尝试采用电中性假设 ［19］ 和零电流假设 ［20-21］ 来
考虑离子间的相互作用，但这两种假设只是为了简化求解偏微分方程而在数学上做出的近似，不能
反映孔隙液中真实存在的电化学现象。近年来，学者们开始基于严格的 Gaussian 静电理论表征离子
间的电化学耦合作用对多离子传输的影响 ［22-23］ 。
为深入了解多离子间电化学耦合效应和水分对流效应对氯离子传输的耦合作用，本文基于非饱

收稿日期：2020-12-31；网络首发时间：2021-03-12
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210311.1731.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51978396）；中国科协青年人才托举计划项目（2018QNRC001）；上海市“青年科技启明星计
划”项目（19QA1404700）；流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放基金项目（IWHR-SKL-201705）
作者简介：陈伟康（1995-），硕士生，主要从事非饱和混凝土性质研究。E-mail：vailko_chan@sjtu.edu.cn
通讯作者：刘清风（1986-），副教授，博士生导师，主要从事混凝土耐久性研究。E-mail：liuqf@sjtu.edu.cn
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