基于多尺度方法的溶蚀/冻融/干湿交互作用下结构混凝土损伤累积及定量表征

Concrete damage and failure in harsh environmental area is crucial to the durability of concrete structures. At present, the action of single factor among leaching, freezing-thawing and drying-wetting has been investigated a lot. While the interaction effects about any two factors and three factors have not been explored. This project intends to carry out four parts of work from the viewpoint of multiscale. (1) By micro-/meso- experimental tests, the interactive mechanism of leaching, freezing-thawing and drying-wetting will be revealed. (2) By multiscale modelling of the damage evolution process of the structure of concrete, the damage accumulation in concrete under the interactive action of leaching, freezing-thawing and drying-wetting will be revealed. (3) By investigating changes of the content and space distribution of damage phase, a multiscale quantitative characterization approach of damage accumulation will be proposed. (4) By establishing the constitutive relationship of concrete incorporating damage accumulation, influences of damage accumulation on the macro-mechanical and transport properties of concrete will be investigated. It is of scientific significance for high durability design of concrete and for the service life prediction theory of concrete.

严酷环境作用区混凝土的损伤与失效是关系到混凝土结构耐久性的关键。目前，关于溶蚀/冻融/干湿单一因素作用下混凝土的损伤破坏研究已较为完善，而关于其中任意两因素及三因素交互作用影响的研究尚属初期探索阶段，未形成系统理论。本项目拟从微观到宏观多个尺度开展研究工作，通过微细观试验研究，揭示溶蚀/冻融/干湿交互作用机理；通过多尺度仿真模拟混凝土的结构演变过程，揭示溶蚀/冻融/干湿交互作用下的损伤累积规律；通过研究损伤的含量和空间分布变化规律，提出损伤累积多尺度定量表征方法；通过构建考虑损伤累积的混凝土力学与传输本构，揭示损伤累积对混凝土宏观力学性能和传输性能的影响规律。从而为高耐久混凝土设计提供科学指导，为可预期混凝土服役寿命理论建立基础。

严寒地区服役的许多重大混凝土结构中，混凝土的局部损伤往往过早发生，比如大坝、渡槽及桥柱的水位变动区。这些部位混凝土由于面临复杂的环境因素作用，劣化速度远远高于其他部位。严酷环境作用区混凝土因受到溶蚀/冻融/干湿交互作用而快速损伤失效，成为制约水利工程、桥梁工程等基础工程建设与发展的关键问题。.本项目从纳观到细观多个尺度开展研究工作，在溶蚀/冻融交互作用机理、混凝土微细观结构动态演变、混凝土损伤及损伤累积规律、混凝土宏观性能退化规律四个方面进行研究。（1）在纳观尺度通过对不同脱钙程度的水化硅酸钙开展研究，揭示了水化硅酸钙的钙硅比(Ca/Si)、脱钙均匀性与NH4NO3溶液浓度、脱钙时间的关系，阐明了脱钙对水化硅酸钙的纳米结构和纳米力学性能的影响规律，为揭示混凝土的钙溶蚀机理提供一定的补充。（2）在细观尺度通过研究冻融循环/钙溶蚀单一因素及交互作用下水泥净浆的物相组成、孔结构、X-ray扫描三维重构微结构及显微硬度值变化等，阐明了寒冷地区水环境下混凝土的溶蚀、冻融进程及其耦合作用引起的微结构及力学性能变化规律。（3）基于多孔介质力学方法，建立了冻融循环作用下混凝土孔结构劣化模型，开展了饱和和非饱和水泥净浆微结构演变预测和内部损伤定量分析，实现了冻融循环作用下混凝土材料的力学性能和传输性能演变规律预测，揭示了饱和和非饱和混凝土材料冻融损伤累积及性能退化机理。（4）建立了混凝土纳观-微观-细观结构与宏观性能之间定量关系的多尺度模型，在各尺度分别研究了缺陷损伤等对混凝土宏观扩散性能的影响规律，研究了包含椭球和凸形多面体粒子的水泥颗粒的形状对水泥浆扩散性能的影响规律。研究成果为揭示严酷气候条件下混凝土的服役性能退化机理提供一定补充，并对混凝土结构的耐久性设计提供理论基础。