海洋环境下,由于氯盐侵蚀所诱发的混凝土内钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构发生耐久性失效破坏的重要原因之一。氯离子在混凝土中的侵蚀过程现已成为钢筋混凝土结构耐久性研究所关注的热点问题。在细观层面上,通常可认为钢筋混凝土是由水泥砂浆、粗骨料、钢筋以及界面过渡区(ITZ)共同构成的多相复合材料,混凝土材料的不均匀性(粗骨料的含量及随机分布)会显著影响其内氯离子的扩散特性。钢筋存在对氯离子扩散的阻滞效应会明显提高其前沿位置处氯离子的浓度,缩短结构物的耐久性服役寿命。此外,在钢筋混凝土构件的边角点部位处,由于氯离子的二维扩散行为会导致钢筋的初始锈蚀时间较氯离子一维扩散时更短,这更加不利于结构物的安全使用。然而,就当前针对上述问题的研究主要集中在单独考虑粗骨料或单独考虑钢筋对混凝土中氯离子一维扩散特性的影响。对于氯离子的二维扩散问题,大部分学者将混凝土概化为一种材料均匀的宏观数值模型,并致力于开发不同的数值算法来研究其内氯离子的二维扩散规律。同时考虑混凝土材料不均匀性和钢筋阻滞效应对氯离子扩散的共同影响,尤其是对氯离子二维扩散特性的影响,这仍然是有待更进一步深入研究的问题。本文采用物理试验、理论模型以及数值模拟相结合的研究手段来共同探讨以上问题。具体工作如下:(1)在已有研究中通常采用将试件在暴露周期的半数时间内完全保持干燥状态和半数时间内完全处于湿润状态的干-湿循环试验方法(干湿比为1:1)来近似模拟海洋潮汐循环。然而,在真实海洋潮汐环境下氯离子对混凝土的侵蚀影响程度并不是当干湿循环比为1:1时最不利。本文采用自主研发的人工海洋潮汐循环自动化模拟装置实现了在室内模拟真实海洋潮汐环境下的实时潮位涨落过程,并将该装置用以室内开展暴露于潮汐区内不同试验试件(不同粗骨料体积分数和钢筋直径的混凝土和钢筋混凝土试件)中氯离子自然扩散的物理试验研究,探究不同试验试件在实时涨落的潮汐循环作用下其内氯离子的扩散特性,尤其分析了氯离子的二维扩散特性。(2)通过对不同试验试件内氯离子一维、二维扩散物理试验所实测得到的氯离子浓度值进行分析,提出了粗骨料体积分数影响系数以及钢筋的间接、直接阻滞效应系数来分别量化混凝土材料不均匀性以及钢筋阻滞效应对氯离子扩散的影响,结合Fick第二定律,建立了在海洋潮汐环境下同时考虑混凝土材料不均匀性和钢筋阻滞效应的氯离子一维、二维扩散预测模型。模型预测值与试验实测值吻合良好,验证了预测模型的正确性。(3)已有研究中通常取骨料与水泥砂浆之间界面过渡区(ITZ)的厚度为10～100μm,相对应的ITZ内氯离子扩散系数取水泥砂浆的几十倍或上百倍,该范围较大,且这些重要参数的取值尚需依赖于试验方法来确定。本文通过对试验数据的深入分析,建立了同时考虑ITZ厚度、粗骨料体积分数和钢筋直径共同影响的无因次化ITZ氯离子扩散系数预测模型。当水泥砂浆中的氯离子扩散系数确定之后,便可通过该模型来直接计算得到ITZ内氯离子的扩散系数,为混凝土和钢筋混凝土细观模型中氯离子扩散的数值模拟奠定基础。(4)混凝土或钢筋混凝土是一种典型的非均匀多相复合材料,采用考虑材料均匀的宏观数值模型来评估其内氯离子的扩散规律,其合理性应值得探讨。本文提出了三维球形粗骨料的随机生成和随机投放算法并用以建立考虑混凝土和钢筋混凝土多相复合材料特性以及钢筋存在对其周围某区域范围内粗骨料分布影响的三维细观数值模型,基于有限元数值模拟仿真分析探究了其内氯离子的一维、二维扩散特性。采用试验实测值验证了本文细观数值模拟方法的正确性。(5)开展混凝土内氯离子长期扩散物理试验会耗费大量的时间及人力物力财力,实施起来存在诸多困难。因此,已有的大部分物理试验研究所选取的暴露周期相对较短。基于短期试验建立的氯离子扩散模型来预测氯离子长期扩散规律的正确性应值得研究。本文通过将细观数值模拟中氯离子的长期扩散浓度计算值与最长暴露时间为20年的现场试验实测数据进行对比分析,提出可采用细观数值模拟方法来替代部分物理试验探究混凝土内氯离子的长期扩散特性。随后,采用细观数值模拟方法论证了根据室内短期试验建立的氯离子扩散模型来预测混凝土内氯离子长期扩散浓度分布的正确性。在此基础上,采用本文提出的氯离子扩散模型来进一步预测钢筋混凝土结构的耐久性服役寿命。