普通混凝土水渗透机理和尺寸效应分析的分子动力学模拟和水渗透系数理论预测

Experimental measurements, molecular dynamics simulations, and theoretical analyses are combined to analyze the mechanism of water permeability in concrete, to reveal the size effect law of water permeability, and to present a theoretical method for predicting the water permeability coefficient of concrete. Through experiment, the pore structure in cement paste and the structure and percolation of interfacial transition zone in concrete are characterized and the water permeability coefficients of cement paste with different water/cement ratios and of concrete with different water/cement ratios and aggregate volume fractions. A molecular dynamics simulation approach is developed for the water permeability in cement-based materials. The mechanism and size effect law of cement paste and concrete are analysed using the developed simulation approach. Concrete is considered to be a three-phase composite material, composed of aggregates, interfacial transion zones, and cement paste. Based on the effective medium theory, a theoretical method for predicting the water permeability coefficient of concrete with the size effect is presented. After the validity of the method is verified with experimental and simulation results,the effects of various factors that influence the water permeability coefficient of concrete and their relative importance are evaluated in a quantitative manner. This study not only is of great theoretical significance for further understanding the mechanism and size effect law of water permeability in concrete and its quantitative relationship with the mesostructure, but also provides theoretical evidence for the durability design and assessment of ordinary concrete.

将试验测定、分子动力学模拟和理论分析相结合，分析混凝土水渗透机理、揭示水渗透的尺寸效应规律、提出混凝土水渗透系数预测的理论方法。通过试验表征水泥石孔结构和混凝土界面结构和渗流，测定不同水灰比水泥石和不同骨料体积含量混凝土的水渗透系数。提出水泥基材料水渗透的分子动力学模拟方法，应用该模拟方法分析水泥石和混凝土的水渗透机理和尺寸效应规律。将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥石所组成的三相复合材料，基于有效介质理论提出考虑尺寸效应时混凝土水渗透系数预测的理论方法。通过与试验和模拟结果比较验证该方法的有效性，定量评价影响混凝土水渗透系数的各因素和它们的相对重要性。该项研究不仅对于进一步了解普通混凝土水渗透机理、尺寸效应规律及与细观结构之间的定量关系具有重要的理论意义，而且为普通混凝土耐久性设计和评估提供理论依据。

混凝土材料在大型基础设施中应用最为广泛，一旦由于混凝土抗渗性不足或遭受破坏，会降低这些结构的使用寿命和功能，造成渗漏和环境污染。因此，有必要进一步研究混凝土的传输机理、尺寸效应和传输系数，以满足结构耐久性设计和评估的迫切需要。.本研究的主要内容是通过试验测定水泥基材料的孔结构特征参数、力学指标和水渗透系数，提出水泥基材料传输性能预测的分子动力学模拟方法，将试验结果和理论分析相结合讨论水渗透的尺寸效应和影响水泥基材料传输系数的关键因素，建立水泥基材料的细观结构与传输性能之间的定量关系，为混凝土结构的耐久性设计和评估提供理论依据。.通过试验测定了各种水灰比水泥石和各种配合比混凝土的孔结构特征参数、力学指标和水渗透系数，基于试验结果，详细分析了影响水泥石和混凝土水渗透系数的关键因素和尺寸效应。提出多孔材料水渗透系数的随机行走方法，并应用有效介质方法给出了水泥石水渗透系数的预测方法。提出了水泥石和混凝土氯离子扩散系数的随机行走方法，并应用有效介质方法提出了考虑骨料形状效应时混凝土氯离子扩散系数预测的方法，基于数值结果，定量评价了骨料级配、最大骨料尺寸、界面厚度和骨料形状的影响。提出了考虑骨料形状效应时混凝土弹性模量的预测方法，量化了骨料级配、最大骨料尺寸、界面厚度和骨料形状对混凝土弹性模量的相对贡献。应用极值理论，分析了混凝土水渗透系数的尺寸效应，根据试验结果，确定了Fréchet分布中的形状参数与骨料体积率和水灰比之间的定量关系。结果表明：对于给定的水灰比和骨料体积率，混凝土水渗透系数随着过水截面积的增大而增大，当过水截面积达到0.015 m2时，水渗透系数趋于稳定。.本研究不仅对于进一步理解水泥基材料的传输机理、揭示水渗透尺寸效应规律和确定传输系数与细观结构之间的定量关系具有重要的理论意义，而且为混凝土结构的耐久性设计和评估提供理论依据。