Page 126 - 水利学报2021年第52卷第5期

从而影响离子的输运过程的关键。本文采用基于 Gaussian 静电理论的 Poisson 方程来描述静电势在混
凝土中的分布情况。图 7 展示了第 5 个干湿循环中静电势的分布情况。即使未施加外部电压或电流，
仅由于电荷不平衡所产生的最大静电势可达 30 mV。静电势的分布与时间和空间有关。干燥过程静电
势从正值逐渐演变为负值，而湿润过程静电势始终为正值。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，可见该区域多离子之间的电化学耦合作用更强。在干燥阶段结束（t =13 d）
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湿润阶段开始（t =0 d）时，由于混凝土暴露面离子边界条件的变化使得静电势的分布整体上发生了突变。
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图 7 第 5 个干湿循环中静电势的分布
3.2 多离子/单一氯离子传输差异对比 本节将对考虑多离子（K 、Na 、Cl 和 OH ）与仅考虑单一氯离
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子时干湿交替下各种离子的传输差异进行分析。当混凝土内部发生多离子耦合传输时，孔隙液中每
一种自由离子的运动都会受到离子间电化学耦合作用的影响，然而这种相互作用在单一离子传输时
并不存在。图 8 展示了考虑与未考虑离子间电化学耦合效应时第 10 个湿润过程结束氯离子和氢氧根
离子的浓度分布情况。通过对比可以发现，多离子间的电化学耦合效应提高了氯离子的浓度，尤其
在浅层混凝土中这种效应的影响更加显著。然而对于氢氧根离子，电化学耦合效应的影响并非是单
调性的，在浅层混凝土中加速氢氧根离子的渗出，而在深层混凝土中降低其渗出速率。
为更加直观地反应多离子间电化学耦合效应对干湿循环下离子传输的影响，分别基于多离子模
型和单一氯离子模型计算自由氯离子经过 5 个以及 10 个干湿循环后在混凝土中的摄入量，结果如图 9
所示。在 5 次和 10 次干湿循环结束时，考虑多离子传输氯离子的摄入量分别是仅考虑单一离子传输
的 1.18 倍和 1.26 倍。可见，电化学耦合效应对于氯离子在干湿交替下的渗入过程产生了非常大的影
响，并且随着干湿循环的次数的增加，这种影响将会被进一步放大。主要原因是：如图 7 所示，在干
燥过程中，静电势在大部分时间内为负值，可认为暴露面处的电势高于混凝土内部；在湿润过程
中，暴露面处的电势低于混凝土内部。当混凝土内外存在电势差时，带正电的离子趋向于向低电势
处移动，而带负电的离子趋向于向高电势。氯离子在干燥和湿润过程分别向混凝土外部和内部传
输，此两种情况下带负电的氯离子均在向高电势处移动，因此电化学耦合效应在干/湿过程中均加快

图 8 考虑多离子和仅考虑单一氯离子传输时干湿循 图 9 考虑多离子和仅考虑单一氯离子传输时混凝
环氯离子和氢氧根离子的浓度分布 土中自由氯离子的含量变化
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