基于微结构的混凝土材料传输特性及本构关系

It is one of the core factors influening the durability degration of concrete due to the corrosion medium pentration into the inner of cment-based compostions by the various types of pores and defects. In this project, according to the chemcial compostions and microstructural features of concrete are quantatively tested and characterized by using different micro and meso-analysis techquies. Based on the above experimental results and cement hydration model, the three dimensional (3D) microstructure development is established by using computer stimulation and image processing techniques. in order to construct the constitutive realtion betwwen transportion behavior and microstructrue, these key factors such as 3 D gemotries of various pores from gel pore with nanometer scale to the large pore with millimeter scale, enviormental conditions and bonding between corrosion ions and cement hydraiton products are systematically investigated. The multi-scale averaging methods is also explored from micro, meso to macro-scales. Finially a multi-scale modelling of transportion properties is proposed based on the 3D microsture of concrete. These results are helpful to design and preparation of mordern concrete with the pre-specifed transportation properties by adjusting the microstructure.

环境介质(气、液、离子)通过不同尺度孔隙或缺陷进入到砼内部引起破坏是导致材料耐久性退化的核心问题。本项目以掺矿物掺合料的砼材料为研究对象，综合运用X-CT、AFM、纳米压痕、BSE、MIP等多种微细观测试方法对砼各尺度范围内的组成和微观结构进行测试与表征；在此基础上利用水泥水化动力学理论和颗粒随机分布模型，通过计算机模拟和图像处理技术对砼材料的微结构形成过程进行数值仿真和三维(3D)重构；然后通过多孔介质力学、热动力学、反应动力学、表面吸附等方法，从影响介质传输性能的最小代表体元(C-S-H )的纳米尺度凝胶孔出发，深入研究影响传输性能的孔结构、界面过渡区以及环境条件和介质固化，建立材料传输性能从微观(nm)到细观(um)再到宏观(mm)的多尺度过渡方法，给出基于微结构的砼材料多尺度传输本构模型。为实现砼材料的微结构与传输性能一体化协同设计奠定科学的基础，研究具有重要的理论意义和实用价值。

环境介质(气、液、离子)通过不同尺度孔隙或缺陷进入到混凝土内部引起破坏是导致材料耐久性退化的核心问题。本项目以掺矿物掺合料的现代混凝土材料为研究对象，综合运用多种微细观方法定量测试和表征了各种传输通道的种类、数量、形貌及空间分布。在此基础上利用水泥水化动力学理论和颗粒随机分布模型，通过计算机模拟和图像处理技术对混凝土材料的微结构形成过程进行数值仿真和三维(3D)重构。利用多孔介质力学、热动力学、反应动力学、表面吸附等方法，深入研究了影响传输性能的各尺度孔、环境条件和介质固化。通过理论分析、实验测试和计算机模拟相结合，从影响介质传输的最小代表体元 (C-S-H )的纳米尺度凝胶孔出发，利用多尺度过渡法进入到含有微米尺度毛细孔的水泥基浆体，进而再过渡到含有界面过渡区的砂浆和混凝，从而建立了现代混凝土材料多尺度传输本构模型。为实现混凝土材料的微结构与传输性能一体化协同设计奠定科学的基础，研究具有重要的理论意义和实用价值。