Page 121 - 水利学报2021年第52卷第5期

和混凝土中传质机理的分析，构建了水分和多离子传输的理论方程，建立了混凝土在细微观尺度下
的多相模型，并通过现有文献中的两个第三方案例验证了模型的可靠性。通过数值研究系统分析了
多离子在干湿循环下的传输行为，阐明了在求解非饱和传输问题时运用多离子模型相对于仅考虑单
一氯离子模型的巨大差异，同时探讨了干湿循环过程中的各项相关参数对多离子间电化学耦合效应
的影响。本研究将有助于加深对干湿交替环境下混凝土中氯盐侵蚀问题理解，为混凝土结构耐久性
设计以及既有结构的修复与加固提供理论参考。

2 研究方法

2.1 机理分析 干湿交替下混凝土中水分和多离子的耦合传输存在着多种复杂的机理，如图 1 所
示。浅层混凝土中发生对流主导的离子传输，而深层混凝土中的传输则是扩散主导。干燥过程中，
浅层混凝土中的液态水向混凝土表层移动，离子在对流作用下向混凝土表面迁移并积累；湿润过程
中，水分从外部环境渗透到混凝土内部，不仅外部溶液中的离子会随着水分的渗透进入混凝土，而
且干燥过程结束时积累在表层混凝土的离子也会被水分带入混凝土内部。水分传输主要在浅层混凝
土中进行，而深层混凝土仍处于接近饱和的状态，此区域离子发生扩散主导的传输。由于所带电荷
和扩散系数各不相同，多种离子在孔隙液中传输时，局部区域内带正、负电荷的离子将产生浓度
差，孔隙液中存在电荷不平衡现象，从而在局部区域内产生静电势，影响每一种离子的传输，这就
是异种离子间的电化学耦合效应。另外，离子在传输过程中会与水泥水化产物发生固化作用，有一
［24-25］
部分离子会被水化产物捕获（物理吸附），也有一部分离子会与水化产物发生化学反应（化学结合） 。

+ + - -
K Na Cl OH H 2 O

图 1 干湿交替下混凝土中水分和多离子耦合传输示意
2.2 理论方程 根据机理分析可知，扩散、对流、电化学耦合效应以及固化作用共同影响着多离子

在非饱和混凝土中的传输。基于此，首先构建非饱和混凝土中的水分传输方程，然后构建多因素耦
合作用下的多离子传输方程。
2.2.1 水分传输 水分在非饱和混凝土中的传输可以用 Richard 方程来描述 ［26-27］ ：
∂θ = Ñ( D ( )Ñθ ) （1）
θ
∂t
式中：θ为水分饱和度；t 为时间，s；D（θ）为水分扩散系数，m /s。
2
研究表明，在干燥和湿润过程中水分的传输机理是截然不同的 ［28］ ，墨水瓶效应引起的滞后性使
得水分在干燥和湿润过程中具有完全不同的扩散系数。Leech 等 ［29］ 研究指出湿润过程水分的扩散系数
可表示为：
θ
D ( ) = D exp(nθ ) （2）
0
w r
式中： D 为干燥混凝土的水分湿润扩散系数，m /s；n 为材料常数； θ = (θ - θ ) (θ - θ ) ，θ 为初始
0
2
w r 0 s 0 0
水分饱和度，θ =1。Wong 等 ［30］ 在不同环境温度和湿度下，测试了不同水灰比混凝土在干燥过程中含
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