基于多尺度图像分析的混凝土渗透特性研究

This research is in the background of concrete durability and sealability and is based on percolation theory of porous media. In the research, 3D image scanning, digital image reconstruction and seepage simulation are applied to analyze pore characteristics and seepage characteristics of concrete and the seepage mechanism is preliminarily discussed. By multi-scale image scanning technique (X-CT, FIB/SEM), pore structure of hardened cement paste, ITZ and airhole/microcracks are qualitatively visualized and then quantitatively characterized by graphic analysis techniques. Based on the pore structure of hardened cement paste and ITZ, fluid seepage process is simulated and its variation along with pore characteristics is analyzed by simulated annealing method and lattice Boltzmann method. Combining seepage characteristics of each component and 3D macroscopic structure of concrete, concrete multi-scale pore model is established and the macroscopic lattice Boltzmann method is applied to simulate multi-scale seepage of concrete. The influences of hardened cement paste, ITZ, airhole/microcrack to concrete seepage is further analyzed, which lays theoretical foundation for improving the durability and sealability of concrete.

本项目以混凝土的耐久性和密封性为研究背景，以多孔介质渗流理论为基础，采用3D图像扫描、数字图像重构和渗流模拟相结合的方法，对混凝土多尺度、多组分孔隙特征和渗流特征进行研究，初步探讨混凝土的渗透机理。研究通过X-CT、FIB/SEM多尺度图像扫描技术和图形分析技术，定性展现硬化水泥浆体、ITZ和气孔/微裂缝的孔隙结构，定量分析硬化水泥浆体、ITZ和气孔/微裂缝孔隙结构特征；借助改进模拟退火法和格子Boltzmann法，模拟流体在硬化水泥浆体和ITZ孔隙中的渗流过程，研究硬化水泥浆体和ITZ的渗透特征及变化规律；基于混凝土3D宏观结构和各组分渗透特性，建立混凝土多尺度孔隙模型，利用宏观格子Boltzmann法模拟流体在混凝土多尺度下的渗流特征，深入剖析硬化水泥浆体、ITZ、微裂缝/气孔对混凝土渗透性的影响，为提高混凝土的耐久性和密封性奠定理论基础。

本项目以混凝土耐久性和渗透性为研究背景，从多尺度图像分析的角度揭示混凝土的渗透机理。首先，研究通过X-CT和FIB/SEM等多尺度图像观测技术，分别对混凝土整体结构、硬化水泥浆体的孔隙结构进行扫描、重构，观测混凝土从毫米级到纳米级的多尺度、多组分三维孔隙图像，利用数字图像学手段研究气孔/微裂缝、硬化水泥浆体孔隙结构的真实孔隙特征。然后，基于水泥浆体的三维孔隙结构，分别采用Katz-Thompson方程、逾渗孔隙网络模型和格子Boltzmann方法模拟计算水泥浆体连通孔隙的渗透率。最后，以混凝土3D宏观模型为基础，以各组分微观孔隙渗透特征为参数，建立了混凝土多尺度渗流模型，并采用Stokes-Brinkman对混凝土宏观结构的渗透进行模拟。研究结果表明，混凝土宏观孔隙主要由孤立的气孔和微裂纹组成，形状均匀，连通性小，其孔径峰值尺寸为8 μm和2500 μm，仅占混凝土多孔体积的1.1~1.7%；硬化水泥浆体具有17.4%的平均孔隙率和14.9%的平均连通孔隙率，其孔隙路径曲折、广泛连通；连通孔径法结果显示硬化水泥浆体的孔径主要分布在20~80 nm之间，约为压汞试验的两倍左右，这表明压汞试验由于“墨水瓶”效应低估了混凝土的孔径尺寸；水泥浆体渗流主要通道为孔隙尺寸50~150 nm的中孔和大孔，且水泥浆体孔隙结构渗透率为4.88~15.48×10-19 m2，远低于混凝土气体渗透率测试结果（3.82~7.29×10-18 m2），这是由于微裂缝和气孔均会加速流体在混凝土中的局部渗透速度，导致混凝土渗透率较水泥浆体渗透率高。因此，为了进一步提高混凝土的耐久性，一方面需要降低水泥浆体内的孔隙尺寸，另一方面也需要尽量地减少混凝土的开裂和气孔。