钢筋混凝土具有性能优越、造价较低等优点而广泛应用于跨海大桥、海底隧道等海洋建筑工程中。由于海洋环境中富含氯离子等腐蚀性物质,因而混凝土抵御氯盐侵蚀和扩散的性能决定了海洋混凝土结构的安全性和耐久性。因此,很有必要开展混凝土氯离子扩散性能的测试技术与混凝土扩散性能的定量设计方法研究。本文的主要研究工作有:(1)为了准确测定混凝土氯离子扩散系数,自主研发了四种试验装置。首先研发了一种双锯片切割装置,用于切割成型厚度为50mm的标准试块,具有试块厚度切割误差小、试块上下底面平行、节省人力的优点,克服了传统切割装置的缺陷;同时研发了一种圆柱体混凝土试块劈裂装置,用于混凝土圆柱体试块的轴向劈裂,具有轴向断面与试块上、下底面垂直、试块断面平整、试块无破损的优点,克服了传统劈裂装置的缺陷;进一步地,研发了一种试块断面图像自动获取装置,用于获取混凝土试块断面图像,具有相机镜头轴线与试块断面垂直、最佳拍摄图像质量的优点,克服了传统试块断面图像获取装置的缺陷;最后研发了一种混凝土三维定位钻孔取样机,用于混凝土内部精确定位取样,具有三维定位精确取样的优点,克服了传统取样装置的缺陷;上述四种装置的研发为混凝土氯离子扩散系数的准确测定与定量设计奠定了基础。(2)采用正交设计、均匀设计和析因设计共制备了74组混凝土试件,基于自主研发的试验装置开展了 74组混凝土试件的恒电压RCM试验和变电压RCM试验,进而对比分析了不同试验设计方法的建模效率。研究表明,均匀设计模型虽然样本点少,但由于样本点具有代表性,因此达到了析因设计模型相当的预测效果,充分验证了均匀设计模型具有较高的预测效率。(3)研究边部效应对氯离子扩散系数的影响。通过定义74组混凝土试件测点上氯离子扩散深度的标准值,结合数理统计方法定量分析了边部效应对氯离子扩散深度和扩散系数的影响,据此确定了边部效应的影响范围。进一步地,对中部氯离子扩散系数与全截面氯离子扩散系数之间的相关性进行了研究。研究结果表明,混凝土RCM试验中氯离子扩散的边部效应较为明显,其影响范围应为试件周边外表面向内延l0mm的区域,传统方法由于没有排除边部效应影响而高估混凝土的氯离子扩散系数,排除边部效应后的中部氯离子扩散系数与未排除边部效应的全截面氯离子扩散系数之间具有显著相关性。(4)基于图像处理技术,研究建立了混凝土RCM试验分析的面均法。首先利用自主研发的试验设备获取试块断面图像,进而测试混凝土试件轴向断面上的氯离子扩散面积,进一步计算得到混凝土试件中氯离子扩散深度及氯离子扩散系数,通过对比分析点均法和面均法结果,研究了点均法与面均法结果之间的相关性。研究结果表明,与传统的人工测量方法相比,图像处理技术可以减少测量结果的波动性,提高测试精度,点均法结果随测点密度增大而逐渐减小,并收敛于面均法,点均法结果容易受测点位置和间距的影响,测量结果离散性大,而面均法有效克服了点均法的缺陷,具有较高的稳定性和精度,且有效减少工作量,点均法扩散系数测试值与面均法扩散系数测试值的相关性强。(5)建立了单掺粉煤灰、单掺矿粉和复掺粉煤灰和矿粉混凝土氯离子扩散系数的多因素模型。依据试验数据分析了水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量对氯离子扩散系数的影响规律,然后采用非线性最小二乘法,通过回归分析研究,结合RCM试验数据,建立综合考虑水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量关键因素影响的氯离子扩散系数的多因素计算模型,最后通过与试验数据及现有混凝土氯离子扩散系数模型对比分析,验证了本文模型的有效性和适用性。(6)提出了混凝土氯离子扩散性能的定量设计方法。研究建立了氯离子扩散系数与标准差、变异系数的关系模型,进而建立了氯离子扩散系数质量控制方程,结合氯离子扩散系数多因素计算模型、强度多因素计算模型以及龄期衰减系数多因素计算模型,通过高次方程组的求解得到水胶比、粉煤灰掺量和矿粉掺量,与现有规范中混凝土配合比设计方法进行了对比。研究表明,本文方法能够按照预定的混凝土耐久性指标和强度指标要求,通过定量分析确定混凝土的矿物掺合料掺量,并据此确定混凝土的配合比设计参数,克服了传统配合设计方法根据经验确定矿物掺合料掺量、难以定量设计混凝土耐久性的缺陷。