寒冷盐渍环境水泥基材料劣化孔隙介质力学机理研究

While frost-saline environments in the northwestern of China can seriously degrade concrete infrastructures, the deteriorating mechanisms of cement-based porous materials (CBPMs) under such harsh environments remain unclear, and it remains lack of effective tools to bridge over the physicochemical process in micro scales and the physicomechanical behaviors of the materials in macro scales. Here based on the basic principles of physics and chemistry, we investigate the ice formation, eutectic, salt crystallization and phase transition of multi-ion solutions confined in CBPMs to elucidate the complex processes taking place in the pores under the frost-saline environments. We study the possible influences of morphology, size, distribution and roughness (or fractal characteristics) of the pores of CBPMs on the processes mentioned above, and establish quantitative relations to clarify the influential mechanisms. We aim to establish the poromechanical models involving the multi-phase transitions of saline solutions confined in CBPMs under frost actions, which provide effective tools to link the micro physicomechanical processes occuring in the pores and the macro mechanical behaviors of the materials. Finally, we study the deteriorating behaviors of CBPMs under the frost-saline actions and the dominative factors that influence the durability of the materials. The final results and findings of this study are expected to provide the scientific basis for the durability design and assessment, service-life prediction, and protection of the infrastructures in the frost-saline environments.

我国西北寒冷盐渍地区混凝土基础设施面临严重的耐久性问题，而针对该复杂环境的水泥基多孔材料劣化机制并不明确，也缺乏联系复杂微观物理化学过程与材料宏观物理力学性能变化的研究工具。本项目拟基于物理化学基本原理研究低温作用下多离子盐溶液结冰/共溶/结晶/晶相转化过程以明确水泥基材料孔隙内部在寒冷盐渍环境中发生的物理化学过程和规律；拟研究水泥基材料孔隙的形貌、尺寸、分布和表面粗糙度或者分形特征对相变过程的影响，并建立孔隙结构参数与复杂相变过程的量化关系，以明确孔隙结构影响溶液相变过程的机制；拟研究多孔材料中盐溶液低温相变的孔隙介质力学的理论表达和模型，为孔隙微观物理化学变化和材料宏观力学行为建立有效的连接和研究工具；拟研究寒冷盐渍环境下水泥基材料耐久性破坏过程和关键影响因素，为实际工程中水泥基材料和结构在寒冷盐渍环境下的耐久性设计和评估、寿命预测以及破坏防治提供理论依据和科学基础。

混凝土结构在严酷环境作用下的快速退化是制约我国西部大开发、一带一路和海洋战略中基础设施建设的重要因素，而针对该复杂环境作用下水泥基多孔材料劣化机制、研究方法和调控手段均需要深入研究。项目重点关注低温作用下多离子孔隙溶液低温结晶过程的物理化学变化热力学和动力学过程以明确水泥基材料孔隙内部在寒冷盐渍环境中发生的相变机制；研究水泥基多孔材料孔隙结构测试方法，以全面和准确地解析水泥基材料孔隙结构特征，通过研究孔隙结构对相变过程的影响，建立多孔材料中盐溶液低温相变的孔隙介质力学的理论表达和模型，为孔隙微观物理化学变化和材料宏观力学行为建立有效的连接和研究工具；研究寒冷盐渍环境下水泥基材料耐久性破坏过程和关键影响因素，以实现对复杂环境作用下水泥基材料微结构和耐久性的调控。项目在研期内，顺利完成了文献调研、理论基础挖掘、实验开展和模型分析，扩展了水泥基材料微结构和孔隙结构的多重实验表征和材料微/宏观力学性能的方法，建立了考虑复杂相变过程的孔隙介质力学模型研究。研究发现，在受限孔隙空间内的结冰过程收到材料表面似水层厚度的影响，在实际工程计算过程中，该影响不可忽略；联合X射线断层扫描（XCT）和压汞（MIP）可实现水泥基材料孔隙结构的可视化表征，有利于水泥基材料孔隙结构的真实解析；在此基础上建立了基于X-CT测试的非浸润相在水泥基材料中逾渗的可视化测量，开发了基于显影增强的混凝土原位吸水表征方法；基于孔隙调控原理，开发了基于分子尺度调控水泥基材料性能的聚合物-水泥原位反应的高性能材料设计方法。在该项目的资助下，形成了40篇科技论文，获得了555次的引用，培养研究生8名，获得教育部优秀成果二等奖1项。