氯盐在损伤和开裂混凝土中的传输机理及多尺度本构模型

To reveal the deterioration essence of modern concrete in service environment, it is necessary to establish the constitutive relation between the micro-structure of concrete and its macro-transport performance. The features of modern concrete, as porous, multi-phase and multi-scale features, require the use of multi-scale scheme to establish transport constitutive between micro-structure of concrete and its macrostructure. In this project, First, characteristics of the micro-structural parameters of chloride transport channel is quantitatively determined. Based on hydration mechanism of gel material and a prediction model is establish between the volume fraction of gel material and its fineness, curing age, water to binder ratio, environmental temperature and humidity; the prediction models of the volume fraction and pore structure characteristics in interfacial transition zone between aggregate and bulk cement are established; the quantitative relationship between the tortuosity connectivity and content of crack is proposed; quantitative characterization of the above-mentioned microstructure characteristic parameters is the basis input parameters of the multi-scale transport theory. Based on micromechanics and the porous media theory, the transport model of Mori-Tanaka andinteraction direct derivation scheme containg multiple class ellipsoid inclusions is established and the transport constitutive model is essentially built between modern concrete microstructure and chloride ion transport through the optimized multi-scale transition scheme under the condition of saturation degree and loads and then conduct numerical calculation . Finally, a series of micro- and macro-test methods are employed to validate the constitutive model. The above-mentioned results can provide the foundation for the durability design and life prediction of concrete.

要揭示混凝土在服役环境中的劣化本质，其核心问题是研究氯盐等侵蚀性介质在损伤及开裂混凝土中的传输行为。混凝土的多孔、多相和多尺度特征，决定了其传输行为的研究及传输本构的建立需采用多尺度过渡法。项目首先对影响氯盐传输的微结构通道特征参数进行定量表征：通过凝胶材料水化机理研究，建立水化产物体积分数与其细度、养护龄期、水胶比和环境温湿度之间定量关系，建立非球形骨料粒子表面的界面过渡区(ITZ)体积分数和其ITZ的孔结构特征预测模型，建立裂缝曲折度、裂缝含量以及裂缝宽度之间的定量关系；其次基于细观力学理论和多孔介质理论，建立含椭球形多类夹杂的Mori-Tanaka法和相互作用直推法传输模型；第三通过多尺度过渡法分别建立混凝土在不同饱水度和荷载作用下，其微结构与氯离子传输本构模型并进行数值计算；最后通过一系列微细观测试手段和宏观试验方法对所建本构模型进行验证，为混凝土耐久性设计和寿命预测奠定基础。

结构混凝土在服役环境中过早劣化的本质主要是侵蚀性介质传输所致，在众多单因素中氯离子传输诱发的钢筋锈蚀尤为突出，当混凝土在荷载、干湿交替或者二者耦合作用下导致的结构损伤或开裂更会加速氯离子传输。故国内外学者都想通过试验或者计算机仿真方法，来探明氯离子在混凝土中的传输特性，而混凝土的多孔、多相和多尺度特征，决定了氯离子在其不同尺度上传输行为差异很大，需逐尺度研究其传输特征以及逐尺度建立传输本构。故项目首先对决定氯离子传输特性的结构混凝土微结构进行了定量表征，尤其是界面过渡区体积分数和界面过渡区孔结构分布；其次研究了在荷载或者干湿交替作用下，结构混凝土内部孔隙的曲折度变化，建立起预测模型；第三基于细观力学理论建立和多孔介质理论，建立含椭球形多类夹杂的Mori-Tanaka法和相互作用直推法传输模型；第四通过Matlab数值技术分析了混凝土在荷载和干湿交替耦合以传输变系数情况下，水分和氯离子在混凝土中的二维传输特性，首次采用了二维变系数数值求解。.项目取得成果：(1) 建立了硅酸盐水泥、硅酸盐水泥-矿渣体系水化产物体积分数计算模型，并在硅酸盐水泥水化动力学模型中考虑了细度、养护龄期、水胶比和环境温湿度的影响；(2) 引入骨料形状因子参数，建立了非球形骨料界面过渡区体积分数和孔隙分布预测模型；建立了骨料在砂浆和混凝土中的曲折度模型(3)基于细观和多孔介质理论，系统地建立了Mori-Tanaka法和相互作用直推法传输模型；(4) 基于骨料在混凝土中曲折度模型，建立了弯曲荷载和干湿交替环境共同作用下水分和氯离子在混凝土中的二维变系数条件下的传输本构方程，采用交替方向隐格式（ADI格式）对水分和氯离子在混凝土中的传输特性进行数值分析。上述所建模型均通过试验和文献提供数据进行了验证。研究成果为结构混凝土耐久性设计和寿命预测奠定了基础。