基于微结构的非均匀介质力学性能表征及应用研究

随着科学技术的发展和国家各项重大工程的推进，非均匀介质的力学问题迫切需要研究解决，而介质内部相变对力学性能的影响是其中一个重要的关键性问题。本项目试图从理论与实验两个方面研究非均匀介质，建立一种新的力学模型，基于内部微结构研究非均匀介质的力学性能，获得相变对力学性能的影响机制，并应用于水泥基材料，预测材料的力学性能，研究侵蚀作用对水泥基材料力学性能的影响。主要研究内容包括：基于微结构的非均匀介质的力学分析，非均匀介质内部相变对力学性能的影响机制，水泥基材料的力学性能预测，侵蚀作用下水泥基材料力学性能的演化规律。本项目的研究成果对于非均匀介质力学理论的发展具有重要的理论价值，对水泥基材料的设计与制备具有重要的指导意义。

非均匀介质内部各相的变化对其宏观力学性能的有重要影响，这是非均匀介质研究的一个关键性问题，本项目从力学理论与实验研究两个方面对其进行了较为深入的研究。首先本项目通过细观力学理论建立的细观本构方程和断裂力学理论建立的能量守恒方程，建立一种新的细观断裂模型，实现基于内部微结构来预测非均匀介质的力学性能。然后将介质内部的相转变引入该力学分析模型，并以水泥基材料为例预测水泥基材料的力学性能并研究了硫酸盐侵蚀作用造成的水泥基材料内部相转变对宏观力学性能的影响。研究结果显示：孔隙的含量、大小和形状对水泥基材料的力学性能有重要影响，当孔隙平均直径、孔隙率和孔隙的形状参数上升时，水泥浆体的弹性性能下降，其极限强度也随之下降；对于孔隙率相同的水泥浆体，随着孔隙平均直径的增大，强度极限逐渐减小，纳米级的孔隙对其强度的影响非常微弱，其作用远远小于微米级的孔隙，含微米级孔隙的水泥浆体的应力应变曲线表现出明显的非线性特征；当水泥浆体处于硫酸盐侵蚀的环境中，随着时间的变化硫酸盐逐渐侵入水泥浆体内部，随着钙矾石的不断产生并生长，水泥浆体内部CSH相逐渐减少而钙矾石逐渐增加，伴随着钙矾石的吸水膨胀，水泥浆体内部孔隙的物理参数发生很大变化，微米孔的直径和孔隙率均有较大增长，细观断裂模型计算结果显示其极限强度下降明显，试验数据对计算结果进行了验证。