【成果推介】氯离子和硫酸根离子竞争作用下钢筋混凝土“离子传输-钢筋脱钝-钢筋锈蚀”全过程机理研究

成果简介

本成果开展了氯离子和硫酸根离子在混凝土中的竞争传输，以及传输至钢筋表面导致钢筋脱钝、锈蚀的全过程作用机理研究。通过揭示氯盐-硫酸盐耦合在时变损伤非均匀混凝土中竞争传输的机理，建立了考虑竞争对抗作用的时间和空间依赖性变化的一维和二维非均匀耦合时变传输模型，并分别提出了氯离子和硫酸根离子的竞争拮抗作用的量化指标ΔC_Cl和Δstrain，从而提出了混凝土中氯离子和硫酸根离子竞争对抗作用的定量分析方法；进一步对混凝土中钢筋“钝化-脱钝-锈蚀”全过程机理开展了多尺度研究，探明了混凝土孔溶液中CaOH⁺和OH⁻在钢筋表面的吸附和致钝过程，验证了混凝土环境中CaOH⁺吸附对钢筋钝化反应起到了关键作用；结合基于第一性原理和实验方法，揭示了氯离子和硫酸根离子对钝化膜缺陷形成的影响，探明了腐蚀性离子和致钝物质在钢筋表面的竞争吸附过程，从原子层面揭示了混凝土中钢筋的脱钝机理；基于第一性原理揭示了水氧作用下钢筋表面锈蚀产物的形成过程，提出了水解离是形成钢筋锈蚀产物的关键环节，并进一步揭示了氯离子和硫酸根离子对锈蚀产物形成过程的影响机理。最终实现了氯离子和硫酸根离子竞争作用下钢筋混凝土“离子传输-钢筋脱钝-钢筋锈蚀”全过程作用机理的揭示。

应用前景

海洋环境中富含的氯离子和硫酸根离子是导致混凝土结构耐久性问题的主要原因，混凝土是时变非均匀的多相材料，且不同的腐蚀性物质在传输过程中存在耦合作用，此外，腐蚀性物质在钢筋表面集聚会导致钢筋锈蚀，进一步加剧混凝土结构的劣化。因此，揭示氯离子和硫酸根离子耦合作用在时变损伤非均匀混凝土中的时变传输机理以及混凝土中钢筋钝化、脱钝和锈蚀作用机理，是实现对钢筋混凝土抗腐蚀性能精准调控的关键。本成果提出的混凝土结构氯盐-硫酸盐侵蚀下一维和二维耦合传输时变模型，可以实现海洋环境中混凝土中的氯离子和硫酸根离子的浓度分布的准确预测，可为混凝土结构耐久性的精准设计提供基础；从多尺度揭示了混凝土中钢筋“钝化-脱钝-锈蚀”全过程机理，明晰了影响混凝土中钢筋腐蚀过程的关键因素，可为混凝土中钢筋腐蚀防护研究提供理论基础。成果可为实现钢筋混凝土抗腐蚀性能的全过程调控提供理论指导。

成熟度

本成果已成功应用于广西最大地下交通系统南宁轨道交通工程、广西最大吞吐量港口北海铁山港码头、广西第一长跨海大桥龙门大桥等重大工程中。

成果展示

图1考虑竞争对抗作用的混凝土结构中氯离子-硫酸根离子的耦合传输时变模型

图2 基于第一性原理的氯离子和硫酸根离子侵蚀下混凝土中钢筋钝化、脱钝和锈蚀的机理

知识产权情况

成果完成人

土木建筑工程学院：陈正

成果转化，请联系成果与合作处，联系人：王老师，联系电话：0771-3810467。