长期暴露在沿海环境的混凝土结构中,由于氯离子、硫酸根离子以及镁离子等有害介质的侵蚀,会发生钢筋腐蚀、混凝土开裂以及混凝土的强度下降等现象。在这些现象中,钢筋腐蚀是造成混凝土结构耐久性能下降的最主要和最普遍的因素。抑制钢筋的腐蚀有助于提高结构的耐久性能,而通过电场的作用将混凝土内部诱发钢筋腐蚀的有害介质迁出,或促进钢筋的阴极极化以降低阳极反应（金属的氧化反应）的速率,均可有效抑制钢筋的腐蚀。因此,本文基于多离子传输机理和反应行为,建立电场作用下混凝土内部多离子传输和反应的模型,探究混凝土内多离子传输和反应行为过程的影响因素。本文的主要研究内容如下:1)研究多离子传输的情况下混凝土内部离子的扩散系数。基于NernstEinstein方程以及离子的浓度和介质的电导率关系,研究多离子传输的离子扩散系数,并提出多离子扩散系数模型;基于多相复合材料理论,研究复合材料内离子扩散系数的影响因素;综合考虑多离子的种类、浓度和混凝土的构成组分,提出一种基于多相复合材料理论的混凝土内部多离子扩散预测模型,并通过试验数据对该模型的预测结果进行验证。结果表明,和传统的模型相比,该模型可直接通过混凝土内部离子的种类和浓度预测扩散系数,同时预测结果更加合理。2)研究电场作用下混凝土内部的多离子传输机理。基于扩散、电迁移和电渗透的机理,建立电场作用下混凝土内部多离子传输的模型;通过与试验数据比较,对比基于三种不同电势分布规律——常电势、电中性和高斯静电理论的离子传输模型的模拟结果的差异;通过比较离子传输量、电通量以及电能消耗的差异,对比以电流和电压为边界的电场中混凝土内部离子传输过程的区别;基于双电层理论以及介电常数和电场频率的关系,提出考虑电场频率影响的离子传输模型,探究电场频率对混凝土内部离子传输的影响。结果表明,电中性和高斯静电理论模型结果相似且更符合试验结果,而和常电势模型相差较大。混凝土内部离子传输量和电场边界种类无关,和通过混凝土的电荷量以及电能消耗相关。随着电场频率增加,离子电渗透速率产生明显变化,而扩散和电迁移速率几乎没有改变。3)研究电场作用下混凝土内部的离子反应行为。基于钢筋表面析氢反应的机理,研究混凝土内部电势的分布对析氢反应速率和钢筋氢脆风险的影响;基于阳极表面电化学反应的机理,探究混凝土内部电势的分布对阳极反应的类别和速率的影响;通过电化学除氯、压汞以及氯离子滴定试验,探究电场作用下混凝土内部离子浓度和孔隙率随时间变化的空间分布,并利用得到的试验数据对离子传输模型进行修正。结果表明,钢筋表面析氢反应引起的钢筋氢脆风险,随着混凝土水灰比的上升和钢筋直径的下降而增加。活泼金属阳极表面仅发生金属的氧化反应;而惰性阳极表面会发生氢氧根离子的消耗反应,但速率小于钢筋表面氢氧根离子产生速率。混凝土内孔隙率的演化具有时间依赖性和空间变异性,考虑孔隙率演化可提升离子传输模型的精度。4)研究电极的空间分布对混凝土内部离子传输和反应行为的影响。建立电场作用下混凝土内部多离子传输和反应的模型,研究钢筋的空间分布对混凝土内部离子传输速率的影响;探究惰性阳极的空间分布对混凝土内部腐蚀介质迁出效果的影响;研究活泼金属阳极的空间分布对混凝土内部钢筋表面阳极反应速率的影响。结果表明,箍筋的存在对混凝土内部离子传输的影响具有两面性,在加速混凝土保护层内部的离子传输速率的同时减缓了混凝土核心区的离子传输速率。为提升氯离子迁出效率,惰性阳极的分布应根据氯离子浓度分布确定。为降低钢筋表面阳极反应速率和腐蚀电流大小,当活泼金属阳极的总质量相同时,缩小阳极之间的间距比扩大阳极尺寸效果更好。5)基于系统的保护效果和工作效率,根据电场作用下混凝土内部多离子传输和反应模型的计算结果,设计电化学防护和修复系统的参数。对于牺牲阳极的阴极保护系统,利用活泼金属阳极上的腐蚀电流和无阴极保护时钢筋上的腐蚀电流比值为参数预估系统的效果,并确定合适的参数范围以兼顾系统的保护效果和工作效率。研究发现由阳极腐蚀产生的电流只有不到30%起到了抑制钢筋表面腐蚀电流的作用;随着阳极上的腐蚀电流和无阴极保护时的钢筋上的腐蚀电流比值增加,系统的保护效果上升而工作效率下降;综合考虑保护效果和系统工作效率并避免钢筋氢脆发生,该比值在5.0~6.5之间为宜。