DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2026.108231
تاريخ النشر: 2026-04-18
المؤلف: Panyue Gao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تآكل الخرسانة والمتانة
نظرة عامة
تؤسس هذه الدراسة إطارًا لنمذجة متعددة الفيزياء لتحليل تآكل الحديد المسلح الناتج عن الكلوريد والشقوق اللاحقة في الخرسانة. يدمج الإطار عمليات متنوعة، بما في ذلك النقل الأيوني، والتفاعلات الكهروكيميائية، والأضرار الميكانيكية، لتوفير فهم شامل لآليات التدهور في الخرسانة المسلحة. يقوم نموذج النقل الأيوني المتعدد بتحديد آثار العمليات الكهروكيميائية وانتشار الشقوق، بينما يصف نموذج التآكل القائم على نظرية المجال الطوري ديناميات تراكم منتجات التآكل. تتحقق الدراسة من صحة هذه النماذج مقابل البيانات التجريبية، مما يظهر دقتها في التنبؤ بتوزيعات تركيز الأيونات، ونمو طبقة التآكل، وانتشار الشقوق، مع متوسط أخطاء مطلقة (MAE) أقل من 0.008 لتركيزات الكلوريد والأكسجين وقيم R² تتجاوز 0.85 لسمك طبقة التآكل.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن تجاهل تفاعلات الأيونات المتعددة يؤدي إلى تقدير مفرط لدخول الكلوريد، بينما يعزز التمثيل الصريح للشقوق مسارات النقل ويزيد من الاستجابات الكهروكيميائية بشكل كبير. يلتقط الإطار الانتقال من نمو الشقوق المستقر إلى النمو التدريجي، موضحًا التغذية الراجعة بين الشقوق والعمليات الكهروكيميائية. تكشف تحليلات الحساسية أن المعلمات الميكانيكية، وخاصة قوة الشد لمنطقة الانتقال الواجهة (ITZ)، تؤثر بشكل كبير على شكل الشقوق، بينما تؤثر المعلمات الكهروكيميائية بشكل أساسي على توقيت الشقوق. توفر هذه الدراسة نهجًا آليًا لتقييم المتانة، مما يقدم رؤى يمكن أن تفيد الممارسات الهندسية وتكمل طرق التصميم التجريبية التقليدية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف آثار الظروف البيئية المتغيرة وإجراء تحقق تجريبي متكامل عبر عملية التدهور بأكملها.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الحرجة لتآكل الحديد المسلح الناتج عن الكلوريد، والذي يهدد بشكل كبير متانة الهياكل الخرسانية المسلحة. تبدأ عملية التآكل بانتشار أيونات الكلوريد عبر غلاف الخرسانة، مما يؤدي إلى تفاعلات كهروكيميائية على سطح الحديد المسلح بمجرد الوصول إلى عتبة حرجة. تنتج عن ذلك منتجات التآكل، التي تشغل حجمًا أكبر من المواد المتفاعلة الأصلية، مما يخلق ضغوطًا توسعية يمكن أن تتجاوز قوة الشد للخرسانة، مما يؤدي إلى الشقوق. لا تسهل هذه الشقوق دخول الكلوريد فحسب، بل تزيد أيضًا من الأضرار من خلال تراكم منتجات التآكل، مما يؤسس دورة ذاتية التعزيز من التدهور تهدد سلامة الهيكل.
تسلط الورقة الضوء على قيود الطرق التجريبية الحالية، التي غالبًا ما تعتمد على الاختبارات التدميرية وتفشل في التقاط التفاعلات المعقدة المعتمدة على الزمن بين النقل الأيوني، والتآكل، والشقوق. للتغلب على هذه التحديات، يقترح المؤلفون إطارًا متعدد الفيزياء يدمج النقل الأيوني المتعدد، والتآكل الكهروكيميائي، والشقوق القائمة على المجال الطوري. يستخدم هذا الإطار نموذج نيرنست-بلانك للنقل الأيوني، ويشمل نموذج تطور منتجات التآكل جديد، وينفذ استراتيجية ربط ثنائية الاتجاه بالكامل تسمح بتحديثات ديناميكية لخصائص النقل بناءً على تطور الأضرار. يهدف هذا النهج الشامل إلى تعزيز موثوقية التنبؤ بشأن متانة الهياكل الخرسانية المسلحة المعرضة للكلوريد، مما يعالج فجوة كبيرة في الأدبيات الحالية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تطوير إطار نمذجة شامل للتحقيق في تآكل الكلوريد والشقوق في الخرسانة، مع التركيز على أنماط التآكل غير المتجانسة ضمن مقطع عرضي مقياس متوسط ثنائي الأبعاد. يدمج الإطار ثلاثة نماذج فرعية مترابطة: (أ) نموذج نقل أيوني متعدد قائم على معادلة نيرنست-بلانك، يأخذ في الاعتبار التفاعلات الأيونية، والجهود الكهروكيميائية، والانتشار المعزز بالشقوق، وتأثيرات البيئة لتحديد توزيعات تركيز الأيونات؛ (ب) نموذج تآكل كهروكيميائي يتكيف مع قانون فاراداي لتحديد منتجات التآكل مع مراعاة فقدان المنتجات ويستخدم تحميل إزاحة الحدود لمحاكاة التمدد الناتج عن التآكل؛ و(ج) نموذج شقوق قائم على المجال الطوري يستخدم نهج منطقة متماسكة منتظمة لتمثيل تشكيل الشقوق في الخرسانة متعددة المراحل الناتجة عن التمدد الناتج عن التآكل.
ترتبط هذه النماذج الفرعية من خلال التفاعلات الديناميكية للمتغيرات الحرجة: تؤثر تركيزات الأيونات على التفاعلات الكهروكيميائية وتكوين المنتجات، مما يحفز التمدد الناتج عن الشقوق، ويؤثر مجال الأضرار المتطور بعد ذلك على عمليات النقل والتآكل. يسمح هذا النهج المرتبط بالكامل بفهم مفصل للآليات الكامنة وراء التآكل والشقوق في الهياكل الخرسانية تحت ظروف طبيعية ومختبرية محكومة.
النتائج
يستعرض فصل النتائج النتائج الرئيسية للإطار المقترح، بدءًا من ملخص للمخرجات الرئيسية في القسم 4.1. كما يستكشف تأثير الربط متعدد الفيزياء على سلوك التآكل والشقوق في القسم 4.2، مسلطًا الضوء على أهمية تطور الشقوق، والتفاعلات الأيونية المتعددة، وإعادة توزيع منتجات التآكل. بالإضافة إلى ذلك، يقدم القسم 4.3 تحليل حساسية يحدد مجموعات المعلمات الأكثر أهمية التي تؤثر على آليات النقل، والاستجابات الكهروكيميائية، والتنبؤات المتعلقة بالشقوق. تؤكد هذه النتائج على التفاعل المعقد بين العمليات الفيزيائية المختلفة في سياق ظواهر التآكل والشقوق.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في الورقة البحثية على الآليات المعقدة التي تحكم النقل الأيوني المتعدد والتآكل الكهروكيميائي للحديد المسلح في الخرسانة. يبدأ بتوضيح نقل أنواع الأيونات المختلفة (مثل \( \text{Ca}^{2+}, \text{Na}^{+}, \text{Fe}^{2+}, \text{OH}^-, \text{Cl}^- \)) عبر محلول المسام، الذي يتم نمذجته باستخدام معادلة نيرنست-بلانك. تلتقط هذه المعادلة كل من الانتشار والهجرة الكهربائية ولكنها تتجاهل في البداية التدفق المدفوع بالرطوبة، وهو أمر مهم في الخرسانة غير المشبعة. لمعالجة ذلك، يتم إضافة مصطلح الحمل إلى معادلة تدفق الأيونات، مما يدمج تأثيرات نقل الرطوبة التي تقلل من حركة الأيونات تحت ظروف مشبعة جزئيًا. تقدم الدراسة أيضًا نموذجًا لارتباط الكلوريد بمنتجات ترطيب الأسمنت، مما يبطئ نقل الكلوريد، ويشمل مصطلح مصدر تفاعلي لحساب استنفاد أيونات \( \text{Fe}^{2+} \) و \( \text{OH}^- \) أثناء التآكل.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة نموذج التآكل الكهروكيميائي الذي يحدد التوزيع المكاني لمنتجات التآكل حول الحديد المسلح. تسلط الضوء على دور كثافة التيار الأنودي في التأثير على معدلات التآكل، خاصة تحت ظروف إزالة الحماية الناتجة عن الكلوريد. يأخذ النموذج أيضًا في الاعتبار تراكم منتجات التآكل مما يؤدي إلى ضغط داخلي وشقوق لاحقة في الخرسانة. يتم استخدام نموذج شقوق قائم على المجال الطوري لتمثيل تطور الأضرار المستمر، مما يسمح بتصوير أكثر دقة لبدء الشقوق وانتشارها مقارنة بالطرق التقليدية. يدمج هذا النهج الشامل النقل الأيوني، والتفاعلات الكهروكيميائية، والانهيار الميكانيكي، مما يوفر إطارًا قويًا لفهم التفاعل بين التآكل والشقوق في الهياكل الخرسانية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2026.108231
Publication Date: 2026-04-18
Author(s): Panyue Gao et al.
Primary Topic: Concrete Corrosion and Durability
Overview
This research establishes a multi-physics modeling framework to analyze chloride-induced corrosion of rebar and subsequent concrete cracking. The framework integrates various processes, including ionic transport, electrochemical reactions, and mechanical damage, to provide a comprehensive understanding of the degradation mechanisms in reinforced concrete. A multi-ionic transport model quantifies the effects of electrochemical processes and crack propagation, while a corrosion model based on phase-field theory describes the dynamics of corrosion product accumulation. The study validates these models against experimental data, demonstrating their accuracy in predicting ion concentration distributions, corrosion layer growth, and crack propagation, with mean absolute errors (MAE) below 0.008 for chloride and oxygen concentrations and R² values exceeding 0.85 for corrosion layer thickness.
Key findings indicate that neglecting multi-ion interactions leads to an overestimation of chloride ingress, while explicit crack representation enhances transport pathways and increases electrochemical responses significantly. The framework captures the transition from stable to progressive crack growth, elucidating the feedback between cracking and electrochemical processes. Sensitivity analyses reveal that mechanical parameters, particularly the tensile strength of the interfacial transition zone (ITZ), significantly influence crack morphology, while electrochemical parameters primarily affect the timing of cracking. This work provides a mechanistic approach to durability assessment, offering insights that can inform engineering practices and complement traditional empirical design methods. Future research directions include exploring the effects of varying environmental conditions and conducting integrated experimental validations across the entire deterioration process.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical issue of chloride-induced rebar corrosion, which significantly compromises the durability of reinforced concrete structures. The corrosion process begins with the diffusion of chloride ions through the concrete cover, leading to electrochemical reactions at the rebar surface once a critical threshold is reached. The resultant corrosion products, which occupy more volume than the original reactants, create expansive pressures that can exceed the tensile strength of concrete, resulting in cracking. This cracking not only facilitates further chloride ingress but also exacerbates damage through the accumulation of corrosion products, establishing a self-reinforcing cycle of deterioration that threatens structural integrity.
The paper highlights the limitations of existing experimental methods, which often rely on destructive testing and fail to capture the complex, time-dependent interactions between ionic transport, corrosion, and cracking. To overcome these challenges, the authors propose a multi-physics framework that integrates multi-ionic transport, electrochemical corrosion, and phase-field fracture. This framework employs the Nernst-Planck model for ionic transport, incorporates a novel corrosion-product evolution model, and implements a fully two-way coupling strategy that allows for dynamic updates of transport properties based on damage evolution. This comprehensive approach aims to enhance predictive reliability regarding the durability of reinforced concrete structures exposed to chloride, addressing a significant gap in the current literature.
Methods
In this study, a comprehensive modeling framework is developed to investigate chloride-induced corrosion and cracking in concrete, focusing on non-uniform corrosion patterns within a two-dimensional mesoscale cross-section. The framework integrates three interrelated sub-models: (a) a multiionic transport model based on the Nernst-Planck equation, which accounts for ionic reactions, electrochemical potentials, crack-enhanced diffusion, and environmental influences to determine ion concentration distributions; (b) an electrochemical corrosion model that adapts Faraday’s law to quantify corrosion products while considering product loss and utilizes boundary displacement loading to simulate expansion due to corrosion; and (c) a phase-field cracking model employing a regularized cohesive-zone approach to represent crack formation in multiphase concrete resulting from corrosion-induced expansion.
These sub-models are interconnected through the dynamic interactions of critical variables: ionic concentrations influence electrochemical reactions and product formation, the resultant expansion prompts crack development, and the evolving damage field subsequently impacts the transport and corrosion processes. This fully coupled approach allows for a detailed understanding of the mechanisms underlying corrosion and cracking in concrete structures under both natural and controlled laboratory conditions.
Results
The results chapter outlines the primary findings of the proposed coupled framework, starting with a summary of key outputs in Section 4.1. It further investigates the influence of multi-physics coupling on corrosion-cracking behavior in Section 4.2, highlighting the significance of crack evolution, multi-ionic interactions, and the redistribution of corrosion products. Additionally, Section 4.3 presents a sensitivity analysis that identifies the most critical parameter groups affecting transport mechanisms, electrochemical responses, and predictions related to cracking. These findings underscore the complex interplay between various physical processes in the context of corrosion and cracking phenomena.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the complex mechanisms governing multi-ionic transport and electrochemical corrosion of rebar in concrete. It begins by outlining the transport of various ionic species (e.g., \( \text{Ca}^{2+}, \text{Na}^{+}, \text{Fe}^{2+}, \text{OH}^-, \text{Cl}^- \)) through the pore solution, which is modeled using the Nernst-Planck equation. This equation captures both diffusion and electromigration but initially neglects moisture-driven advection, which is significant in unsaturated concrete. To address this, a convective term is added to the ionic flux equation, incorporating moisture transport effects that reduce ionic mobility under partially saturated conditions. The study further introduces a model for chloride binding to cement hydration products, which slows chloride transport, and incorporates a reactive source term to account for the depletion of \( \text{Fe}^{2+} \) and \( \text{OH}^- \) ions during corrosion.
Additionally, the paper discusses the electrochemical corrosion model that quantifies the spatial distribution of corrosion products around the rebar. It highlights the role of anodic current density in influencing corrosion rates, particularly under chloride-induced depassivation conditions. The model also considers the accumulation of corrosion products leading to internal pressure and subsequent cracking of concrete. A phase-field cracking model is employed to represent continuous damage evolution, allowing for a more accurate depiction of crack initiation and propagation compared to traditional methods. This comprehensive approach integrates ionic transport, electrochemical reactions, and mechanical degradation, thereby providing a robust framework for understanding the interplay between corrosion and cracking in concrete structures.