多场条件下水泥基孔隙材料多相与多离子传输问题研究

The inter-pore mass transport under multi-field context is fundamental for the long-term durability of cement-based porous materials (CBPM). This project considers CBPM as reactive porous medium, and investigates the heat transfer, moisture transport, multi-species ion transport and CO2 transport in pores, identifies the mechanisms for multi-field couplings and the coupling degree, establishes the thermos-hydro-ionic-chemical (THIC) model for the multi-field, multi-phase and multi-species (3M) transport problems, and provides the numerical solution for the THIC model as well. Then, the study focuses on the ordinary Portland cement (OPC) materials, determines the coupling parameters in 3M problems, and validates the THIC model through single-field and multi-field experiments. Finally, with the help of the THIC model, the project is to treat respectively the moisture influential depth of concrete surface subject to drying-wetting cycles, the combined process of carbonation and chloride ingress, and the degradation modes for concrete elements exposed to air/liquid at different sides, which provides a basis for the solution of these durability problems in application.

多场条件下孔隙间的物质传输是水泥基材料长期耐久性的基本问题。项目将水泥基材料作为可反应孔隙介质，研究材料的热传递、孔隙水分传输、孔隙液相多离子迁移以及气相中的可反应CO2传输过程，明确水泥基材料多场耦合机理和耦合程度，建立水泥基材料的多相、多场和多离子传输过程的“热-水分-离子-化学反应”(THIC) 模型，并完成一维问题的数值求解。然后，针对普通硅酸盐类水泥基材料通过试验研究确定多场问题的主要耦合参数，并通过单场和多场试验校准、验证建立的THIC模型；最后，以THIC模型为工具，分别研究干湿交替作用下混凝土表面的水分影响深度、长期碳化和氯离子侵入的组合作用以及单侧临水、单侧临气构件的耐久性劣化模式，为复杂环境条件下水泥基材料和结构的长期耐久性提供判据和分析工具。

多场条件下孔隙间的物质传输是水泥基材料长期耐久性的基本问题，对物质传输理论的建立和科学化描述是进行水泥基类工程材料长期耐久性准确预测和评估的基础。以此为目标，项目将水泥基材料作为可反应孔隙介质，研究材料的热传递、孔隙水分传输、孔隙液相多离子迁移以及气相中的可反应CO2传输过程，明确水泥基材料多场耦合机理和耦合程度，建立水泥基材料的多相、多场和多离子传输过程的“热-水分-离子-化学反应”(THIC) 模型，并完成一维问题的数值求解。然后，针对普通硅酸盐类水泥基材料通过试验研究确定多场问题的主要耦合参数，并通过单场和多场试验校准、验证建立的THIC模型；最后，以THIC模型为工具，分别研究干湿交替作用下混凝土表面的水分影响深度、长期碳化和氯离子侵入的组合作用以及单侧临水、单侧临气构件的耐久性劣化模式，为复杂环境条件下水泥基材料和结构的长期耐久性提供判据和分析工具。通过项目研究获得以下成果：（1）利用可反应孔隙介质理论完成了水泥基类孔隙材料的多场、多相和多离子THIC模型，并利用开源数值求解平台Bil完成了数值求解模块的研发，通过试验验证表明建立的模型的可靠性；（2）可反应模型的核心是构建水泥基材料硬化后孔隙液相、固相和气相的溶解于吸附平衡关系，同时量化描述气相CO2与固相产物的碳化反应的动力学过程；（3）通过对关键模型参数的理论和试验研究表明，碳化过程对水泥基材料的离子吸附行为、水蒸气吸附行为以及孔隙结构都有显著影响，其中多离子环境中氯离子的吸附行为需要考虑阳离子的种类和数量，裂缝的存在对传输过程有明显影响；（4）研究建立了碳化与氯离子共同作用下氯离子迁移的数学模型，并提出了针对钢筋锈蚀的设计准则；通过使用THIC数值工具，明确了海洋环境和除冰盐环境下碳化对氯离子侵入的影响。项目取得的科研成果对于推动混凝土结构与材料耐久性预测的科学化以及耐久性设计的准确度有积极作用。