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摘要
开裂是导致结构混凝土过早出现劣化和提前退出服役的主要原因,但其劣化本质上均是侵蚀性介质通过混凝土自身的孔隙、微裂纹或者荷载作用下的裂缝传输所致,因此,要揭示现代混凝土的劣化本质,必须科学地认识并建立其宏观、微观之间的本构关系。过去国内外提出的关于侵蚀性介质在混凝土材料中的传输理论,如Fick定律或者Darcy定律,其本质上属于唯象理论,尽管可以描述离子传输的现象,但关键参数如扩散系数、渗透系数均是通过试验回归,并没有深究现象背后的物理意义。更重要的是,这些理论难以确定混凝土微结构在各尺度层次上对离子传输的影响,进而难以从根源上对混凝土微结构进行调控,难以调节混凝土侵蚀性介质传输的性能。而现代混凝土具有多孔、多相、多层次和多尺度特征,因此需要逐尺度建立侵蚀性介质在混凝土中的传输本构关系。本文以氯离子(诱发钢筋锈蚀导致混凝土劣化最主要的原因之一)在现代混凝土中的扩散为例,介绍了现代混凝土宏观、微观之间传输本构关系建立的理论方法,影响氯离子在现代混凝土中传输行为的主要微结构特征参数(如硬化水泥石的水化产物及其空间分布、界面过渡区孔隙分布、界面过渡区体积分数),混凝土在各尺度上已建立的氯离子扩散与其微结构特征参数之间的本构关系等的国内外研究现状。现有的基于细观力学建立的各尺度传输模型,如常用的自洽模型、广义自洽模型和有效介质理论等均假定夹杂是球形的,夹杂与基体之间保持完好,而对混凝土这种复杂的复合材料需充分考虑夹杂形貌、夹杂体分比以及夹杂与基体之间存在的界面过渡区对传输行为的影响。在混凝土微结构特征参数预测模型中,已初步建立了球形骨料周围界面过渡区体积分数预测模型并充分考虑了界面之间的重叠程度,界面过渡区孔结构分布模型,硅酸盐水泥水化过程的模拟以及水化产物体积分数计算模型。这些模型为混凝土宏观、微观之间的传输本构关系的建立奠定了基础。本文还系统地介绍了从影响离子传输的最小尺度即纳米尺度逐步过渡到宏观尺度的建模过程。最后指出各尺度理论预测模型和微结构特征参数定量表征方面目前存在的不足和今后研究的重点,以期为结构混凝土微结构的调控和服役寿命的预测研究提供参考。
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