混凝土结构的耐久性因涉及结构安全、经济和可持续发展,已成为工程界关注的重点问题。而因氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀和保护层脱落是导致混凝土结构耐久性失效的主要原因。探究其在混凝土内的传输过程,建立不同侵蚀条件下的扩散模型对混凝土结构的耐久性分析至关重要。为此,本文在传统扩散定律的基础上,结合元胞自动机理论,建立了一种新的用于分析混凝土中氯离子扩散过程的元胞自动机模型,并借助MATLAB软件编写了模型的计算程序。通过室内试验和相关文献数据,对模型的正确性和合理性进行了验证。利用模型对混凝土箱梁中的氯离子扩散过程进行了模拟与分析,并对结构的耐久性使用寿命进行了预测。最后,从概率论的角度出发,建立了考虑氯离子随机扩散效应的元胞自动机模型,并结合结构可靠度理论,提出了一种能够有效预测混凝土结构耐久性使用寿命的预测方法。本文主要研究内容如下:(1)根据氯离子在混凝土中的传输机制、热传导理论和质量守恒定律,推导了氯离子在混凝土中发生一维、二维和三维扩散时的氯离子扩散方程,并给出了方程的解析解。(2)在氯离子扩散方程的基础上,通过引入一种新的数值计算方法——元胞自动机,分别建立了模拟氯离子在混凝土中发生一维、二维和三维扩散时的元胞自动机模型,并借助MATLAB软件编写了模型的计算程序。借助相关文献算例,利用模型分析了氯离子在混凝土中发生一维、二维、三维扩散时浓度的变化规律,并将模型的模拟值与解析解对比分析,验证了所建模型的正确性和合理性。(3)综合考虑材料水灰比、环境温度、时间依赖性参数、混凝土结合能力、外加荷载等影响因素对混凝土氯离子扩散系数的影响,建立了多因素耦合作用下的氯离子扩散模型。分析了各影响因素对氯离子扩散系数的影响,得出了混凝土氯离子扩散速率随水灰比、温度的增加而增大,随时间依赖性参数、混凝土结合能力、保护层厚度等参数的增加而减小,随拉应力的增加而增大,随压应力的增加而呈现出先减小后增大的趋势。(4)运用元胞自动机理论,结合多因素耦合作用下的氯离子扩散模型,建立了多因素耦合作用下模拟氯离子在混凝土中发生一维、二维和三维扩散过程的元胞自动机模型。借助室内氯离子侵蚀试验及相关文献混凝土氯离子扩散模型,对模型的正确性与合理性进行了验证。(5)运用单因素作用下氯离子扩散过程的元胞自动机模型对单线铁路混凝土箱梁中氯离子的侵蚀过程和变化规律进行了模拟与分析,并对结构耐久性使用寿命进行了预测。通过与寿命预测解析解的对比分析,证明了该方法在预测混凝土结构耐久性使用寿命时的正确性和可行性。(6)运用多因素耦合作用下氯离子扩散过程的元胞自动机模型对客运专线32m标准跨度双线简支箱梁进行了耐久性分析与寿命预测。分析得出了外加荷载对混凝土箱梁氯离子扩散效应影响显著,在外加荷载作用下,箱梁截面氯离子浓度的分布规律与剪力滞分布规律一致。(7)从概率论角度出发,结合元胞自动机理论,建立了考虑氯离子随机扩散效应的元胞自动机模型,并结合概率论及结构可靠度设计理论,提出了一种能够预测结构耐久性使用寿命的预测方法。利用模型对单箱双室系杆拱桥中的氯离子的侵蚀过程进行了模拟与分析,并对结构耐久性使用寿命进行了预测。结果显示,建立的氯离子随机扩散模型可以有效模拟氯离子在扩散过程中的随机性和不确定性,能够反映工程中氯离子的实际侵蚀过程。