[发明专利]钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型及数值计算方法

权利要求书

1.一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的理论模型，其特征在于所述理论模型包括如下物理场及其耦合关系：

物理场：水分传输采用Richards方程；氧气传输采用Fick第二定律；混凝土孔隙液内离子传输采用Nernst-Planck方程；孔隙液与水化产物间相互作用采用热力学平衡模型；钢筋表面的电极动力学反应采用Tafel方程；

耦合关系：将水分传输的对流作用耦合进离子传输的Nernst-Planck方程；将水分传输所引起的混凝土饱水度空间上的变化结合进Fick第二定律以及热力学平衡模型中；将钢筋表面氧气浓度结合到边界处的Tafel方程中，以实现氧气传输与钢筋表面电极动力学反应的相互耦合；在钢筋表面定义三种电极反应，以实现离子传输与电极动力学反应间的相互耦合。

2.一种钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、将水分和氧气的传输、孔隙液与水化产物间相互作用、钢筋表面电极反应、钢筋的非线性极化与描述多孔材料中孔隙液离子传输的Nernst-Planck方程进行相互耦合，形成钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值理论；

步骤二、采用算子分裂算法，基于MATLAB语言，调动COMSOL进行时间步长内水分传输、氧气传输、离子传输的计算；

步骤三、将步骤二的计算结果，即：有限单元网格节点上离子浓度和饱水度，以矩阵形式保存，并将其作为初值，用MATLAB调动PHREEQC进行热力学模型的计算，再次以矩阵的形式保存PHREEQC的计算结果；

步骤四、将PHREEQC中计算出各网格单元节点的离子浓度，以插值函数的形式赋值为下个时间步长COMSOL计算的初值；同时，将饱水度的变化对离子扩散系数和氧气扩散系数的影响赋值到各个有限单元网格节点上，以实现对离子扩散系数和氧气扩散系数空间分布上进行实时更新；

步骤五、重复步骤二至步骤四，直至达到时间步长。

3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述水分传输采用Richards方程。

4.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述氧气传输采用Fick第二定律。

5.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述混凝土孔隙液内离子传输采用Nernst-Planck方程。

6.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述孔隙液与水化产物间相互作用采用相平衡模型和双电层模型。

7.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述钢筋表面的电极动力学反应采用Tafel方程。

8.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构阴极腐蚀控制的数值计算方法，其特征在于所述步骤一中，耦合关系如下：(1)将水分传输的对流作用耦合进离子传输的Nernst-Planck方程；(2)将水分传输所引起的混凝土饱水度空间上的变化结合进Fick第二定律以及热力学平衡模型中；(3)将钢筋表面氧气浓度结合到边界处的Tafel方程中，以实现氧气传输与钢筋表面电极动力学反应的相互耦合；(4)在钢筋表面定义三种电极反应，以实现离子传输与电极动力学反应间的相互耦合。