水泥基材料中氯离子的传输及相互作用

氯离子引起的混凝土内钢筋的锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性中重要的问题，尤其是滨海地区，氯离子侵蚀是钢筋混凝土基础设施耐久性设计的主要考虑因素。充分掌握氯离子在混凝土内的传输过程以及它们之间的相互作用是控制氯离子引起的混凝土内钢筋锈蚀的前提条件。在过去几十年里，世界各国政府和企业资助了许多研究课题，针对上述问题开展了系统的研究工作，取得了显著的进展。通过系统研究，建立了大量的理论基础，积累了许多工程实践经验。尽管如此，人们对混凝土内氯离子的传输以及它们之间的相互作用仍未完全掌握，许多科学问题尚待阐明，还不能精确预测和控制氯离子在混凝土内的传输。

本书系统介绍了水泥和混凝土中氯离子的传输及其相互作用,回顾了这些领域中涉及的基本知识、技术和经验，并介绍了取得的进展。本书的作者们长期参与了湖南大学、中南大学、厦门理工学院和比利时根特大学的关于混凝土内氯离子的传输和它们之间相互作用的研究。在过去几十年里，许多毕业生在该领域研究中取得了理工博士或硕士学位，他们的论文是本书论点的重要来源。显然，如果没有他们取得的知识和经验，没有他们出色的成果，本书不可能完成。作者们要对为本书内容做出过贡献的每一个人表达感谢。特别感谢参与整理书稿的加拿大多伦多大学土木系博士后张润潇，以及帮助整理全书格式和绘制图表的学生们。

本书的目标读者包括混凝土学界的研究者、执业工程师和学生们。研究者可以从本书关于水泥和混凝土中氯离子的传输和它们之间相互作用的综合论述中找到灵感。执业工程师们能通过学习本书的基础知识和实践技术而受益良多。本书也可用作结构工程和土木工程材料等相关专业的研究生学习关于钢筋混凝土耐久性课程的参考书或扩展阅读用书。

编著者

2021年元月

本书详细介绍了水泥基材料内氯离子传输的过程，总结了不同的氯离子传输形式的机理及其影响因素。基于氯离子结合对氯离子在混凝土结构内部传输的影响，介绍了水泥基材料内氯离子结合的机理，包括化学和物理结合，讨论了氯离子结合对氯离子传输过程的影响。随后，介绍了水泥基材料中氯离子迁移相关试验方法的分类，综述了这些试验方法的测试步骤、参数及影响因素，并对不同方法的测试结果进行了比较。同时，详细介绍了一种应用较为广泛的氯离子迁移系数的测试方法——硝酸银显色法。后在氯离子传输、氯离子结合及其与微观结构关系的知识和讨论的基础上，总结了针对水泥基材料提出的几种不同氯离子传输模型及其在不同环境条件下的应用。

本书可供从事水泥混凝土材料和钢筋混凝土结构耐久性研究的土木工程、海洋工程、道路工程设计人员、科研人员、工程技术人员阅读，也可用作结构工程和土木工程材料等相关专业的研究生学习关于钢筋混凝土耐久性课程的参考书或扩展阅读用书。

史才军，湖南大学，国家第二批特聘专家、湖南省特聘专家、亚洲混凝土联合会副主席、湖南大学985工程创新平台首席科学家、中国建筑材料科学研究总院特聘教授，首席教授 博士生导师，国家第二批特聘专家、湖南省特聘专家、亚洲混凝土联合会副主席、湖南大学985工程创新平台首席科学家、特聘教授、博士生导师，中国建筑材料科学研究总院特聘教授、博士生导师。Taylor and Francis 学术期刊《Journal of Sustainable Cement-based Materials》创刊主编, 《 Journal of Ceramics in Modern Technologies 》共同主编、中国硅酸盐学会会刊《硅酸盐学报》副主编，国际知名英文学术期刊《Journal of Materials in Civil Engineering》的副主编，《Cement and Concrete Research》、《Cement and Concrete Composites》和《硅酸盐学报》等国际国内期刊的编委。中国硅酸盐学会理事，美国混凝土学会 (ACI)、美国材料与试验学会 (ASTM)、国际材料与结构联合会（RILEM）及加拿大标准协会(CSA)中多个专业委员会的会员、加拿大安大略省注册职业工程师。史才军教授在水泥和混凝土材料的设计、测试、耐久性、智能防渗漏材料及废物的利用和处置方面做了广泛深入的研究工作，已获4项美国专利、18项中国发明专利授权。已发表高水平学术论文390余篇,出版英文著作7部,中文著作3部,合编国际会议英文论文集7本，Google引用次数15500次，H因子60 ( 2020年2月15号)，组织和主持了8个国际学术会议和3次专题研讨会及3个全国性会议，120多次在国际学术会议应邀担任专家委员会委员或分会主席、70多次大会主题报告。

第1章绪论001

1.1氯离子引起的钢筋锈蚀002

1.2水泥基材料中氯离子的传输005

1.3氯离子和水泥水化产物的相互作用008

1.4本书结构010

参考文献011

第2章氯离子在水泥基材料中的传输机理017

2.1引言018

2.2氯离子在水泥基材料中的传输019

2.2.1电迁移022

2.2.2扩散024

2.2.3对流026

2.2.4热传递027

2.2.5毛细效应027

2.2.6耦合效应028

2.3总结030

参考文献030

第3章氯离子与水泥水化产物之间的物理化学反应032

3.1引言033

3.2Friedel盐的形成034

3.2.1氯离子与铝相反应034

3.2.2氯离子与AFm相反应036

3.3Friedel盐的稳定性039

3.4氯离子物理吸附042

3.4.1C—S—H凝胶氯离子吸附042

3.4.2AFt相氯离子吸附043

3.5氯离子浓聚现象044

3.5.1水泥基材料双电层的形成047

3.5.2Zeta电位050

3.5.3双电层氯离子分布055

3.5.4孔隙溶液压滤过程双电层变化057

3.6氯离子与其他化合物结合062

3.7总结064

参考文献065

第4章氯离子结合及其对水泥基材料性能的影响071

4.1引言072

4.2水泥基材料氯离子结合的影响因素072

4.2.1氯离子浓度074

4.2.2水泥化学组分074

4.2.3辅助胶凝材料077

4.2.4氢氧根离子浓度080

4.2.5氯盐的阳离子081

4.2.6温度081

4.2.7碳化081

4.2.8硫酸根离子083

4.2.9外加电压083

4.3氯离子等温吸附曲线085

4.3.1线性吸附曲线086

4.3.2Langmuir等温吸附曲线087

4.3.3Freundlich等温吸附曲线087

4.3.4BET等温吸附曲线088

4.4确定等温吸附方程的方法088

4.4.1平衡法089

4.4.2孔隙溶液压滤法089

4.4.3扩散槽法090

4.4.4电迁移试验法090

4.5双电层中氯离子物理吸附分布的测定091

4.6氯离子结合对微观结构的影响097

4.6.1氯离子结合对水化产物的影响097

4.6.2氯离子结合对孔结构的影响099

4.7总结102

参考文献103

第5章水泥基材料中氯离子传输的试验方法111

5.1引言112

5.2有关氯离子的试验113

5.2.1氯离子分布113

5.2.2氯离子分析113

5.3混凝土中氯离子传输试验方法119

5.3.1试验方法概述119

5.3.2菲克定律122

5.3.3菲克第二定律123

5.3.4能斯特-普朗克方程125

5.3.5能斯特-爱因斯坦方程137

5.3.6形成因子138

5.3.7其他方法139

5.4氯离子传输试验方法标准143

5.5不同试验方法得到的试验结果之间的关系145

5.5.1非稳态迁移扩散系数145

5.5.2稳态和非稳态迁移系数149

5.5.3ASTM C1201（或初始电流）和迁移系数152

5.5.4NT Build 443得出的自由氯离子和总氯离子的结果153

5.6总结155

参考文献156

第6章硝酸银显色法测试水泥基材料的氯离子渗透161

6.1引言162

6.2确定氯离子侵蚀深度162

6.2.1AgNO3 荧光素溶液显色法163

6.2.2AgNO3 K2CrO4溶液显色法164

6.2.3AgNO3溶液显色法165

6.2.4三种显色法的对比166

6.2.5氯离子渗透深度的测量167

6.3变色边界氯离子浓度169

6.3.1显色反应的参数169

6.3.2制样方法171

6.3.3自由氯离子浓度测量方法172

6.3.4喷洒AgNO3溶液和变色边界氯离子浓度174

6.4硝酸银显色法测量氯离子扩散和迁移系数176

6.4.1非稳态氯离子扩散的测量176

6.4.2测量非稳态电迁移系数179

6.4.3钢筋混凝土氯离子侵蚀风险评估182

6.5关于氯离子类型和变色边界无法显现的讨论182

6.6硝酸银显色法中氯离子扩散系数与渗透深度的关系183

6.7总结183

参考文献185

第7章水泥基材料中氯离子传输的影响因素189

7.1引言190

7.2离子间相互作用对氯离子迁移的影响190

7.2.1多离子迁移模型191

7.2.2离子相互作用理论192

7.2.3氯离子迁移的浓度依赖性195

7.2.4孔隙溶液组成对氯离子迁移的影响196

7.3微观结构对氯离子迁移的影响197

7.3.1孔结构对氯离子迁移的影响197

7.3.2界面过渡区对氯离子迁移的影响200

7.3.3孔结构和界面过渡区对氯离子迁移的耦合效应203

7.4氯离子结合对氯离子迁移的影响205

7.4.1通过等温吸附曲线研究氯离子结合对氯离子迁移的影响206

7.4.2水泥基材料中可迁移氯离子的探讨209

7.5裂缝对氯离子迁移的影响210

7.5.1实验研究中裂缝形成方法210

7.5.2裂缝特征210

7.5.3开裂对氯离子迁移的影响211

7.5.4不同荷载水平下的开裂效果213

7.6总结214

参考文献215

第8章水泥基材料中氯离子传输的仿真模拟223

8.1引言224

8.2模拟饱和混凝土的氯离子传输225

8.2.1经验模型227

8.2.2物理模型233

8.2.3可靠度模型249

8.3模拟不饱和混凝土的氯离子传输251

8.3.1确定性模型251

8.3.2可靠度模型253

8.4氯离子相关的耐久性规范255

8.4.1ACI规范255

8.4.2欧洲规范256

8.4.3中国规范257

8.4.4日本规范259

8.5总结259

参考文献260

本书系统介绍了水泥和混凝土中氯离子的传输及其相互作用，回顾了这些领域中涉及的基本知识、技术和经验，并介绍了取得的新进展。本书将为广大西北地区、沿海地区等受到潜在氯离子侵蚀作用的地区的土木工程结构和材料设计、工程项目建造和维护提供理论依据和可供采用的实际操作指导。