基于微结构演变的海工混凝土多尺度传输本构与寿命预测

混凝土是一种多尺度复合材料，借助多尺度技术研究其在海洋潮汐、浪溅区的腐蚀损伤、离子传输、钢筋锈胀，并建立寿命预测模型是必要的。本项目通过海洋环境下混凝土腐蚀损伤机理分析，以相似理论为基础，建立海洋环境模拟加速试验制度，获得室内加速试验、实海暴露和工程实际间的换算关系。基于多尺度的理论和方法，结合纳米压痕、MicroCT、Quanta 3D FEG等先进测试手段、揭示海工混凝土在服役环境条件下的微结构形成与损伤演化；建立其在干湿循环作用下的水分迁移模型，获得海工混凝土湿度分布。建立水分扩散系数、毛细吸收系数、氯离子扩散系数与混凝土微结构、湿度场的定量关系，获得海工混凝土耐久性参数与钢筋锈蚀的时变规律，建立耦合腐蚀损伤的混凝土氯离子多尺度传输本构关系和钢筋锈胀模型，引入室内外试验的换算关系，建立海洋工程结构混凝土服役寿命的多尺度模拟技术和分析方法，并通过工程调查和长期监测修正模型。

腐蚀离子导致混凝土破坏以及通过渗透导致混凝土中钢筋锈蚀是海洋环境下钢筋混凝土面临的主要耐久性问题。而混凝土自身水化以及所处海洋不同腐蚀区域导致其内部温湿度场发生改变，这将影响到水分与氯离子在混凝土中的传输规律，加之荷载作用，海洋环境下钢筋混凝土腐蚀破坏更为复杂。考虑混凝土的多尺度特征，借助多尺度技术研究其在海洋环境下的离子传输规律，研究钢筋混凝土腐蚀损伤规律，并建立寿命预测模型是必要的。本项目通过海洋环境下混凝土腐蚀损伤机理分析，以相似理论为基础，建立海洋环境模拟加速试验制度。揭示海工混凝土在服役环境条件下的微结构形成与硫酸盐损伤演化规律；分析混凝土自身水化以及外部环境对其内部湿度场的定量影响规律，获得非饱和混凝土中水分传输与离子传输规律，建立了混凝土氯离子扩散系数的多尺度模型。研究了海水中硫酸盐-氯盐耦合作用下混凝土中钢筋锈蚀电化学行为及钢筋混凝土锈胀开裂历程，揭示了荷载-腐蚀离子对钢筋锈蚀的耦合作用效应，提出了考虑荷载、腐蚀离子的钢筋混凝土锈胀开裂临界状态方程。开发耐久性监测传感器，提出了利用光测方法监测混凝土中钢筋锈蚀应变场的新方法，在跨双岛港大桥浇筑了钢筋混凝土试验墙。通过检测获得重大海洋工程关键耐久性参数概率分布规律，提出了海洋工程结构混凝土服役寿命新模型及概率分析方法，通过工程调查和长期监测修正模型。项目在海洋环境下钢筋混凝土加速试验方法建立，利用X-CT和X射线点光源追踪混凝土及高性能涂层微结构，以及利用光测方法监测混凝土中钢筋锈蚀应变场等试验方法上实现了创新；基于多尺度理论构建混凝土氯离子扩散系数多尺度模型，荷载-环境对混凝土中钢筋锈蚀耦合效应、硫酸盐-氯盐对饱和/非饱和混凝土中离子传输的耦合效应揭示等理论方面具有创新性；基于重大工程监检测获得的关键耐久性参数概率分布规律，以及跨双岛港大桥试验墙的浇筑与监检测具有工程应用价值。