基于多维/多尺度的水泥基材料盐冻破坏规律研究

Cement-based materials are complex multi-phase composites with multi-scale structures. To reveal the association between the structure and macroscopic durability of these materials, studies to determine the multi-dimensional/multi-scalar characteristics of their pore structures, microstructures, variations in pore structures, and evolution of micro-cracks during salt attack and freeze-thawing are of great importance. This project aims to summarize and analyze several pore structure test methods to establish the multi-scale characterization parameters of cement-based materials, including their porosity, pore size distribution, pore morphology, and spatial distribution of pore structures. Research is then performed to determine the characteristics of the materials with different air content in terms of pore size distribution, pore morphology, and spatial distribution.The evolution of pore structures and micro-cracks after salt attack and freeze-thawing cycles is studied, and the semi-quantitative/quantitative relationship between microstructural damage and the deterioration of macroscopic performance of cement-based materials is established. Finally, the degree of damage in specimens is divided in three-dimensional space according to the degree of connectivity of micro-cracks and holes to reveal the destroying gradient laws.

水泥基材料是具有结构多尺度特性的非均质多相复合材料。明确多维/多尺度的孔结构表征参数，研究水泥基材料微观结构分析方法，实现水泥基材料孔结构经时变化和微裂纹演变的原位观测，是揭示其微观结构与宏观耐久性之间关联的基础。本项目拟采用多种分析测试手段，提出以孔隙率、孔径分布、孔形貌为参数的孔结构多尺度表征方法，并实现对孔洞空间分布的真实展示；通过研究不同含气量水泥基材料的微观结构、孔洞全尺度孔径分布、孔形貌和空间排列特征及其抗盐冻性能，建立孔结构特征与宏观性能之间的关系；基于三维重构技术，以裂纹贯穿和孔洞连通程度为判断依据，对试件的损伤部位进行区域划分，研究盐冻过程中由表及里的梯度损伤规律；通过研究不同盐冻循环次数后孔结构和微裂缝的经时演变规律，以剥蚀量为媒介，建立水泥基材料微观结构损伤与宏观性能劣化之间的联系。

水泥基材料是具有结构多尺度特性的非均质多相复合材料。明确多维/多尺度的孔结构表征参数，研究水泥基材料微观结构分析方法，实现水泥基材料孔结构经时变化和微裂纹演变的原位观测，是揭示其微观结构与宏观耐久性之间关联的基础。. 项目设计了混凝土强度等级为C35和C50的抗盐冻混凝土。研究了新拌混凝土工作性、混凝土力学性能和氯离子渗透性能等。采用直线导线法、X射线断层扫描（X-CT）法、压汞（MIP）法和气体吸附法等多种分析测试手段，提出以孔隙率、孔径分布、孔形貌为参数的孔结构多尺度表征方法，并实现对孔洞空间分布的真实展示；探索了不同含气量水泥基材料的微观结构、孔洞全尺度孔径分布、孔形貌和空间排列特征及其抗盐冻性能，建立了孔结构特征与宏观性能之间的关系。直线导线法和X射线断层扫描法测孔范围是μm~mm尺度，可以测定引气剂引入的绝大部分气孔结构；压汞法和气体吸附法测孔范围分别是3nm~400μm和0.4nm~100nm，可以测定水泥基材料内部的毛细孔与凝胶孔结构。研究表明引气剂所引入的气孔孔径范围为50μm~350μm，并且这一范围内的气孔对水泥基材料抗盐冻性能影响最大。.采用快速冻融试验方法，研究盐冻过程中由表及里的梯度损伤规律；通过研究不同盐冻循环次数后孔结构和微裂缝的经时演变规律，以剥蚀量、质量变化率和相对动弹性模量保持率为媒介，建立了水泥基材料微观结构损伤与宏观性能劣化之间的联系。结果表明，单纯提高混凝土强度等级并不一定利于其抗盐冻性能改善，含气量是影响抗冻性能的决定性因素。气泡间距系数与混凝土抗盐冻破坏能力有较好的相关性，仅仅使用新拌混凝土含气量不足以完全反映混凝土硬化后的气泡结构和特征，建议混凝土配合比设计时可采用含气量和气泡间距系数双参数来保证其抗盐冻性能。本文的研究成果为水泥基材料的抗盐冻性能理论研究具有直接借鉴价值，对实际工程应用具有可靠的指导意义。