非饱和水泥基材料中多相相变的孔隙介质力学研究

Multi-phase transition in cement-based porous materials (CBPMs) is a key factor that influences durability of CBPM structures, and yet the researches on the relevant issues are insufficient. The objective of this proposal is to understand the mechanisms of multi-phase transition occurred in thin pores, and their influences on the volumetric stability and pore structure of CBPMs. To study the kinetics of multi-salt crystallization are used the classic nucleation and growth theory and comprehensive experimental measurements . Based on the thermodynamic equilibrium principle, the crystallization pressure and capillary pressure in micro scale are evaluated. From the mass and heat conservation principle, a multi-species transport model in unsaturated porous medium is established. The local micro mechanical behaviors are upscaled with the help of the unsaturated poromechanical theory. Meanwhile, the strains of CBPMs under the actions of relative humidity, temperature and crystallization are measured and compared with the results predicted by the established poromechanical model. The perspective of this research program is that the results can be used for developing effective methods against the deterioration of CBPMs by multi-phase transition inside pores, and further for design, assessment and prediction of structure durability.

针对目前有关水泥基材料孔隙内部非饱和多相相变理论和实验研究存在的不足，本课题研究多种盐溶液在非饱和水泥基孔隙材料中发生相变的物理化学过程，研究相变成核、生长的动力学过程和影响因素，研究孔隙结构对孔隙中多相相变的影响，进而完善多孔介质中多相相变的理论；研究包含多相相变的非饱和孔隙介质力学理论表达，并基于多孔介质中多相相变的基础理论描述和孔隙介质力学理论，建立多相多场孔隙介质力学模型；采用综合试验测量饱和度变化、温度湿度变化、各相质量变化以及水泥基材料在多相相变条件下的应变规律，并与模型进行对比验证。本课题围绕多相相变理论—孔隙介质模型这一主题，采用理论—模型—试验综合研究方法，以揭示非饱和水泥基多孔材料内部多相相变的规律以及对水泥基材料自身孔隙结构和稳定性的影响，为实际工程中水泥基材料结构的相应破坏防治、耐久性设计、评估和寿命预测提供理论依据和科学基础

水泥基多孔材料内部发生的物理化学过程是导致材料性能劣化的根本原因。然而由于水泥基材料孔隙的结构复杂性和多尺度性，现有的耐久性研究方法无法建立孔隙内部物理化学变化过程与材料宏观力学性能变化之间的本征关系。本项目基于孔隙介质力学的本征原理，研究非饱和水泥基孔隙材料中多相相变过程。本项目的主要研究内容包含以下5 个方面：a)建立水泥基孔隙材料内部多相相变过程的理论表达，并考虑孔隙内部多相相变的动力学过程；b)研究孔隙结构（形状、尺寸和分布）对多相相变过程的影响；c) 完善孔隙介质力学理论对非饱和孔隙介质内部多相相变的描述；d)建立考虑水泥基材料孔隙中多相相变的孔隙介质力学计算模型；e)开展试验研究，测量材料的力学和物理性质，量化各相相变动力学和热力学参数，并利用试验数据验证孔隙介质力学模型。.本项目的主要研究突破有：1，基于经典结晶成核理论，该研究扩展了异相成核方程，提出了不同孔隙尺寸和分形表面结晶成核的热力学方程，该方程给出了分形表面结晶能变化的一般性描述，并包含了经典文献中讨论的特殊情况，具有普遍意义，是表面物理化学结晶成核理论的扩展。该热力学方程明确了分形表面晶体临界尺寸和有效结晶区域，突破了经典结晶热力学理论认为临界晶核尺寸与表面性质无关这一结论。该理论可以催生多学科新应用：改变材料表面特征以控制晶体成核过程，如，改变掺和料尺寸、分布和表面结构控制C-S-H成核和生长速率，以及改变骨质材料的表面特征以使肌肉细胞能够在其表面自发生长等。2，基于水成核结晶均为独立过程的假设，利用统计热力学原理量化了结冰成核速率与过冷度之间的关系，同时基于异相成核理论，首次提出了3%NaCl溶液更容易在孔隙内部结冰从而造成材料破坏的新解释。该研究显示，3%NaCl溶液中水分子成核速率较其他浓度更高，而冰晶体与水泥基材料孔隙表面的接触角更低，表明3%NaCl溶液中水更容易成核结冰。这也可能是3%浓度盐溶液更容易造成水泥基材料盐冻破坏的基本物理原因。这一研究结果表明表面物理化学可能是分析和解决水泥基材料盐冻破坏的关键科学技术所在。