基于微观结构分析的不同饱水度水泥基复合材料的冻融损伤机理研究

Freeze-thaw damage is the main cause for the deterioration of concrete structures in cold and wet climates, which is closely related to the degree of saturation of concrete. So far, investigations about the influence of degree of saturation are mostly focused on the macroscopic properties of concrete, while studies for cement-based composites at different degrees of saturation based on micro-structural analyses are rarely reported. In order to investigate the microscopic damage of cement paste and mortar at different degrees of saturation after freeze-thaw cycles by experiments, to obtain the micro-structural evolution of cement paste and mortar at different degrees of saturation after freeze-thaw cycles by simulation, and to establish a multi-scale model for predicting the macro-mechanical properties of mortar at different degrees of saturation after freeze-thaw cycles, experimental detection technologies (i.e., X-ray CT, ESEM and MIP) and computer simulation models about the microstructure formation and fracture for cement-based composites will be employed in this project. The purpose of this project is to clarify the freeze-thaw damage mechanism for cement-based composites at different degrees of saturation, to reveal the micro-structural evolution of cement-based composites at different degrees of saturation after freeze-thaw cycles, and to indicate the changes of macro-mechanical properties of cement-based composites at different degrees of saturation after freeze-thaw cycles. It will be of huge significance for the safety and durability assessment of concrete structures subjected to freeze-thaw cycles.

冻融损伤是寒冷潮湿地区混凝土结构劣化的主要原因，由冻融损伤导致的混凝土结构失效与混凝土的饱水度密切相关。目前，关于饱水度对混凝土冻融损伤影响规律的研究大都侧重在宏观层次的特性研究上，而基于微观结构分析对不同饱水度水泥基复合材料冻融损伤机理的研究却少见报导。本项目综合运用水泥基复合材料微观结构的实验探测技术（X射线CT、环境电子扫描和压汞实验）和微观结构形成与断裂的计算机模拟技术，通过对冻融循环作用下不同饱水度水泥净浆和砂浆劣化形态的微观试验研究，冻融循环作用下不同饱水度水泥净浆和砂浆微观结构演变的模拟研究，及考虑冻融损伤的水泥砂浆宏观力学性能多尺度预测模型的构建，阐明不同饱水度水泥基复合材料的冻融破坏机理，揭示冻融循环作用下不同饱水度水泥基复合材料的微观结构演变规律，并探明冻融循环作用下不同饱水度水泥基复合材料的宏观力学性能演变规律，从而最终为冻融损伤混凝土结构的安全性和耐久性评估服务。

冻融损伤是寒冷潮湿地区混凝土结构劣化的主要原因，也是我国水工混凝土建筑在运行过程中遇到的主要病害。为揭示混凝土的冻融损伤机理，阐明冻融循环作用下混凝土的服役性能变化规律，本研究主要从冻融循环作用下非饱和水泥基材料劣化的微观试验研究、冰冻作用下水泥基复合材料微结构演变的模拟研究、微细观结构与宏观性能定量关系多尺度模型的建立及应用、水泥基复合材料体积变形预测的多尺度模型的建立四个方面开展研究工作。首先，通过试验研究不同饱水度条件下水泥净浆的冰冻和融化特性，初步揭示了不同饱水度条件下水泥基复合材料毛细孔隙内冰的结晶成核温度规律、不饱和多孔材料内水分的相变特征及迁移规律。然后，基于三维微观力学模型，根据孔内冰生长热力学理论和水泥净浆的微结构特征，开展了不同温度条件下水泥净浆微结构演变仿真和内部损伤定量分析，建立了冰冻作用下水泥净浆微结构损伤演变模型，量化了内部损伤，揭示了混凝土材料冻融损伤累积规律。接下来，通过建立及应用水泥基复合材料微细观结构与宏观性能定量关系的多尺度模型，研究了冻融损伤对水泥浆体宏观力学性能的影响规律，研究了包含椭球和凸形多面体粒子的集料形状对砂浆扩散性能的影响规律，揭示了冻融循环条件下混凝土材料的性能退化机理，揭示了粒子形状对混凝土服役性能的影响规律。最后，基于水泥基材料的多尺度结构特征，根据毛细孔蒸发理论和三维微观力学分析方法，开展了不同湿度条件下水泥基材料微结构内部孔隙演变仿真，建立了不同湿度/饱水度条件下水泥砂浆体积收缩多尺度预测模型，实现了湿度条件/饱水度条件和水泥净浆/砂浆体积变化的定量关系预测。本项目从混凝土耐久性出发，在探索非饱和多孔水泥基材料冻融特性的基础上，构建阐明水泥基复合材料冻融损伤的微结构模型，构建损伤水泥基复合材料微细观结构与宏观性能定量关系的多尺度模型，构建不同湿度/饱水度条件下水泥砂浆体积收缩多尺度模型，部分成果可为不同气候条件下混凝土结构的冻融损伤评价方法提供一定的理论补充，可为不同气候条件下混凝土结构的体积变形评价方法提供一定的理论补充。