碳化-荷载耦合作用下现代水泥混凝土微结构演化和寿命预测研究

研究水泥混凝土在碳化-荷载耦合作用下孔结构（孔隙率、孔径分布、弯折度、连通性和水饱和度等）和固相微结构（Ca(OH)2，CaCO3和C-S-H含量、C-S-H聚合度、LD C-S-H与HD C-S-H含量相对比值等）的演变规律，在此基础上，依据质量守恒和传输理论，建立CO2气体扩散模型。根据化学反应平衡建立碳化速率模型。根据碳化深度达到保护层厚度或pH值达到钢筋锈蚀反应脱钝值，建立寿命预测模型。在水泥硬化浆体部分，主要考虑其孔结构和固相微结构特征的演化及其对CO2扩散系数的影响；在混凝土部分，主要考虑集料因素和水泥基材-集料界面微结构的演化及其对CO2气体扩散系数的影响。本项目所建立模型与已报道的CO2气体扩散系数模型、碳化速率模型不同之处主要是考虑了微结构特征参数和界面特征参数的影响，并且这种微结构特征参数是时间依赖性的。

本研究围绕着荷载与碳化耦合作用下水泥基材料的微结构演变规律和损伤劣化过程与机理，揭示了不同应力比的弯曲荷载作用下水泥基材料碳化深度的时变规律，同时利用现代微观结构测试新技术(纳米压痕，XCT, XRD, TG-DSC, ESEM -EDAX 及 MIP)，研究分析了水泥基材料碳化反应过程的化学反应机理，定量表征分析了固相组成以及孔结构的演变规律，同时原位追踪观察了碳化反应过程微观形貌的演变特征，首次采用XCT表征碳化前沿及碳化过程中CaCO3的分布，提出了一种新的表征C-S-H碳化程度及根据C-S-H碳化程度计算浆体孔隙率的方法；研究了水泥基材料碳化反应前后纳米力学行为的特征，并采用纳米压痕技术和BSE方法表征界面微结构在碳化过程中的演变和部分碳化区形成机理，并提出了基于界面碳化机理的碳化物理模型。最后，基于上述微观结构演变规律考虑了物理-化学-力学三重因素建立了二氧化碳的传输模型，碳化反应的损伤劣化模型，碳化深度和寿命预测模型。