[发明专利]杂散电场下饱水钢混结构相场和粒子场发展演化理论模型

说明书

本发明公开了一种杂散电场下饱水钢混结构相场和粒子场发展演化理论模型，该理论模型与传统的等温吸附经验模型相比，以热力学为理论依据，首先，通过体系Gibbs自由能最小化，基于纯相溶解沉积平衡模型、固溶体模型(理想固溶体和非理想二元固溶体)和双电层络合反应平衡模型三个热力学模型得到水泥基体系下相和孔隙液粒子的初始值以及相互作用；其次，通过算子分裂法实现上述热力学模型和有限元模型的耦合，进而实现对相场和粒子场的计算。因此，本发明为精确计算杂散电场作用下混凝土内孔隙液粒子场和相场提供了科学依据和理论模型。

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，涉及一种杂散电场作用下的饱水钢混结构内相场和粒子场发展演化的理论模型。

背景技术

近年来，电气化轨道交通在我国乃至世界范围内快速发展，不但缓解了交通运输压力，而且符合可持续发展战略要求，已经成为人们日常出行最重要的交通方式之一。相应的轨道交通基础设施正处于大规模建设时期，这些主要以钢筋混凝土结构为主的基础设施是轨道交通安全运行的前提和保障。然而，由轨道交通供电系统形成的杂散电场会对钢筋混凝土结构的耐久性造成巨大的影响，对轨道交通基础设施的服役安全性产生潜在的威胁。

杂散电场对钢筋混凝土结构耐久性的影响主要体现在如下两点：首先，对钢筋电化学腐蚀行为的影响，主要表现为钢筋横截面积的减小、腐蚀产物的堆积和钢-混界面粘结力的下降等；其次，对混凝土多孔材料内孔隙液粒子分布的影响，主要表现为孔隙液粒子在杂散电流所形成的电场下的扩散和迁移，一方面，可能会使局部区域的侵蚀性离子(如氯离子)或碱金属离子(如钠离子和钾离子)浓度过高，进而导致钢筋的腐蚀或碱骨料反应，另一方面，离子在电迁移过程中会打破原有的热力学平衡，并趋向于建立新的平衡，这往往会导致水化产物相的溶解或沉积甚至形成新相，同时相变过程也会影响粒子在混凝土中的输运过程。因此，确定杂散电场所导致的钢混结构相场和孔隙液粒子场的发展演化规律对于评价轨道交通基础设施的耐久性、服役安全性和基于性能的设计至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂散电场下饱水钢混结构相场和粒子场发展演化理论模型，该理论模型与传统的等温吸附经验模型相比，以热力学为理论依据，首先，通过体系Gibbs自由能最小化，基于纯相溶解沉积平衡模型、固溶体模型(理想固溶体和非理想二元固溶体)和双电层络合反应平衡模型三个热力学模型得到水泥基体系下相和孔隙液粒子的初始值以及相互作用；其次，通过算子分裂法实现上述热力学模型和有限元模型的耦合，进而实现对相场和粒子场的计算。因此，本发明为精确计算杂散电场作用下混凝土内孔隙液粒子场和相场提供了科学依据和理论模型。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种杂散电场下饱水钢混结构相场和粒子场发展演化理论模型，包括如下热力学过程、传输方程及耦合关系：

热力学过程：饱水混凝土孔隙液粒子与水化产物初始值的确定和相互作用通过热力学计算实现；

传输方程：(1)利用Nernst-Planck方程描述杂散电场作用下粒子在饱水混凝土孔隙液中的输运，包括粒子的浓差扩散和离子的电迁移过程；(2)采用Fick第二定律计算氧气在混凝土中的扩散过程；(3)钢-混界面在杂散电场作用下的非线性极化通过Tafel方程表征；(4)杂散电场作用下氧气在钢-混界面处的消耗通过Faraday方程计算得到；

耦合关系：(1)以混凝土孔隙液中的粒子浓度为中间变量，与Nernst-Planck方程通过算子分裂算法(顺序非迭代法)实现耦合计算；(2)氧气的扩散和消耗过程与Tafel方程所描述的阴极电极反应过程(氧气的还原)相耦合，得到界面处的总电场密度(阴极和阳极反应电流密度)所形成的电场及为该处Nernst-Planck方程中离子电迁移过程的驱动力。