所属栏目：新闻中心发布时间：2026-04-23浏览量:481
西安建筑科技大学土木工程学院李兆光、牛荻涛团队在《建筑材料学报》发表论文《温度影响下混凝土硫酸盐侵蚀行为数值模拟》。该研究基于Fick扩散定律和吉布斯自由能最小化原理，成功构建了混凝土硫酸盐侵蚀反应-传输模型，并创新性地采用Matlab程序耦合COMSOL与GEMS软件，实现了对模型的顺序非迭代法数值求解。通过模拟不同温度下(23℃、40℃、60℃、80℃)硫酸盐侵蚀过程，揭示了温度对混凝土内部物相组成、孔隙率、离子分布的复杂影响规律及其微观机制，为高地热等特殊环境下混凝土结构的耐久性评估与寿命预测提供了关键理论模型和科学依据。
硫酸盐侵蚀是威胁混凝土结构耐久性的全球性难题，在西北盐渍土地区及深埋隧道等高热环境中尤为严峻。传统研究多集中于宏观性能，对温度影响下微观物相演化的系统分析尚不充分。为此，研究团队构建了一个精细的“反应-传输”耦合模型。其中，传输过程基于扩展的Fick第二定律，描述了硫酸根等离子在多孔混凝土中的扩散;化学反应过程则基于热力学平衡，利用GEMS软件求解系统吉布斯自由能最小化，以确定石膏、钙矾石等腐蚀产物的生成与转化。二者通过顺序非迭代法在时空节点上耦合求解，首次实现了对温度影响下硫酸盐侵蚀全过程的精细化数值模拟。
研究发现，温度不仅加速侵蚀进程，更会改变侵蚀的微观机制与破坏形态。在常温(23℃) 条件下，硫酸盐侵蚀的典型特征是生成膨胀性产物钙矾石，导致混凝土膨胀开裂，进而引发质量损失。模拟成功捕捉到S元素在距侵蚀面1-2毫米处出现分布峰值的现象，并揭示其根源在于表面含S固相因膨胀开裂而剥落。
随着温度升高，侵蚀机制发生根本性转变。在中高温(60℃、80℃) 条件下，钙矾石的高温稳定性变差，其生成受到抑制甚至完全分解。此时，混凝土的质量损失主要驱动力不再是膨胀开裂，而是孔溶液初始pH值因温度升高而降低，导致氢氧化钙等水化产物溶解、分解。模拟结果显示，80℃时，石膏和钙矾石已不再生成，转而在混凝土内部生成了无水芒硝。这一物相组成的根本性变化，清晰地解释了高温与常温下硫酸盐侵蚀破坏模式的差异。
温度对混凝土孔隙结构的影响呈现出“表里不一”的复杂特征。模拟表明，靠近侵蚀表面的孔隙率随温度升高而降低，这主要是因为高温下膨胀产物减少，且无水芒硝等产物对表面孔隙有一定填充作用。然而，在混凝土内部未受侵蚀区域，孔隙率却随温度升高而增加，这是由于高温加速了未水化水泥颗粒的“快速水化”，在其表面形成致密外壳，阻碍了内部进一步水化，反而导致整体孔隙率上升。这种孔隙率分布规律的转变，是侵蚀机制随温度改变的直接证据。
该研究构建的COMSOL-GEMS耦合数值模型，经过与经典钙溶蚀、硫酸盐侵蚀试验数据的对比验证，表现出良好的准确性。该模型不仅能预测离子、pH值的时空分布，更能动态演算物相组成与孔隙结构的变化，实现了从宏微观多尺度揭示硫酸盐侵蚀机理的重大进展。
此项研究成果具有重要的工程意义。它表明，在评估高地热隧道、深部地下工程等高温环境中的混凝土耐久性时，不能简单套用常温下的侵蚀模型与寿命预测公式。必须充分考虑温度引起的侵蚀机制转变、产物相变及孔隙结构重分布。该模型为在上述严酷环境下服役的混凝土结构，进行更精准的耐久性设计、寿命预测与维护决策提供了强有力的先进分析工具。