混凝土构件的横截面几何特征对氯离子扩散的影响研究
Study on the influence of cross-section geometric characteristics of concrete members on chloride ion diffusion
关键词：
混凝土构件；氯离子传输方程；横截面几何特征；耐久性能；氯离子扩散；箱梁；服役寿命；数值模拟
Key words：
Concrete member; Chloride ion transport equation; Cross-section geometric characteristic; Durability; Chloride ion diffusion; Box girder; Service life; Numerical simulation
刊期：
2026年第4期
DOI：
10.19761/j.1000-4637.24090498
文章编号：
基金项目：
甘肃省科技计划联合科研基金重大项目（25JRRA1067）；甘肃省交通运输厅科研项目（2024-45）。
作者：
柴尚云1，蔺鹏臻2，*
单位：
1.甘肃恒通路桥工程有限公司，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070
摘要
为了精准预测混凝土构件的横截面几何特征对氯离子扩散的影响规律，本文基于Fick定律建立了极坐标系下的混凝土氯离子传输方程。在此基础上，借助COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件，分析了矩形和圆形截面的截面几何参数对氯离子扩散的影响，并以某铁路混凝土箱梁为例，分析了腹板与顶板、腹板与底板交接部位采用折角和圆角过渡处理时的氯离子扩散规律。结果表明：受二维侵蚀影响，矩形截面沿对角线方向的氯离子浓度较其他方向的氯离子浓度高；圆形截面可以有效降低矩形截面边角处的氯离子集聚，从而提高混凝土构件的耐久性能，延长使用寿命；箱梁底板与腹板交接部位的氯离子扩散速率远大于其他区域的氯离子扩散速率，对该部位进行一个半径约为保护层厚度大小的倒圆角处理，可以有效提高箱梁的耐久性能，延长使用寿命。研究成果可为混凝土结构考虑耐久性能的截面设计提供借鉴。
In order to accurately predict the influence law of cross-sectional geometric characteristics of concrete members on chloride ion diffusion, a chloride ion transport equation for concrete in the polar coordinate system was established in this paper based on Fick’s law. On this basis, the effects of the cross-section geometric parameters of rectangular and circular cross-sections on chloride ion diffusion were analyzed by means of the COMSOL Multiphysics multi-physics coupling analysis software. Taking a railway concrete box girder as a case study, the chloride ion diffusion laws were investigated when the transition positions between the web and the top slab, as well as between the web and the bottom slab, were treated with right-angle and fillet transitions, respectively. The results show that, affected by two-dimensional erosion, the chloride ion concentration along the diagonal direction of the rectangular cross-section is higher than that in other directions. The circular cross-section can effectively reduce the chloride ion accumulation at the corners of the rectangular cross-section, thereby improving the durability and extending the service life of concrete members. The chloride ion diffusion rate at the transition position between the bottom slab and the web of the box girder is much higher than that in other regions, and a fillet treatment with a radius approximately equal to the thickness of the concrete cover at this position can effectively enhance the durability and prolong the service life of the box girder. The findings can provide a reference for the cross-sectional design of concrete structures considering durability.
结论
（1）对于矩形截面混凝土构件，其长宽比的改变对氯离子扩散的影响较小，但矩形截面具有显著的边角几何效应，其边角位置受二维扩散的影响，导致沿对角线方向的氯离子浓度显著高于其他方向的氯离子浓度，容易出现过早破坏。
（2）在相同条件下，与矩形截面混凝土构件相比，圆形截面混凝土构件沿对角线方向的氯离子浓度较低，说明采用圆形截面可以有效降低截面边角处由于二维扩散而产生的氯离子集聚，从而提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力。
（3）受二维侵蚀影响，混凝土箱梁底板与腹板交接部位的氯离子浓度远高于其他部位。对该部位进行一个半径约为保护层厚度大小的倒圆角处理，能够有效降低氯离子的扩散速率，从而大幅提高箱梁的耐久性能，延长使用寿命。
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引用本文
柴尚云,蔺鹏臻.混凝土构件的横截面几何特征对氯离子扩散的影响研究[J].混凝土与水泥制品,2026,53(4):50-55. CHAI S Y,LIN P Z.Study on the influence of cross-section geometric characteristics of concrete members on chloride ion diffusion[J].China Concrete and Cement Products,2026,53(4):50-55 (in Chinese).
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