水泥基孔隙材料多场多离子迁移过程研究

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1、水泥基孔隙材料多场多离子迁移过程研究（申请清华大学工学博士学位论文）培养单位：土木工程系学科：土木工程研究生：庞晓贇指导教师：李克非教授二〇一五年六月Thermo-Hydro-IonicTransportofMulti-speciesinCement-basedPorousMaterialsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringbyXiaoyunPan

2、g(CivilEngineering)DissertationSupervisor:ProfessorKefeiLiJune,2015摘要摘要水泥基材料在服役条件下受多种环境作用，孔隙与环境间的物质迁移决定材料长期性能的演变规律。全面描述水泥基材料中多种离子在多场条件下的迁移过程对准确预测材料与结构的耐久性和使用寿命有重大意义。本文研究目的是建立多场多离子迁移理论模型，准确预测水泥基材料与结构的长期耐久性。本文首先研究了多场多离子迁移过程理论，讨论了发生在水泥基孔隙材料中的多场环境、固液平衡和气液平衡等基本条件。水泥基材料中的多

3、场环境涉及浓度场、电场、温度场和湿度场。本文考虑了外加电场和多离子迁移过程产生的局部电场；考虑了固相溶解平衡和离子吸附平衡，采用固溶体理论描述了CH和C-S-H的溶解平衡；利用化学势和力学平衡关系建立了水蒸气与孔隙水、孔隙气相与液相的平衡条件。本文然后在多场多离子迁移理论基础上，建立了全面考虑热量、湿度、多离子耦合传输的多场多离子(THI)数值模型，并考虑了放射性核素离子的迁移过程及其衰变过程。本文通过水蒸气等温吸附实验、放射性核素吸附实验以及核素溶液浸泡试验，研究了水泥基材料的吸附性质。采用文献数据分别从溶蚀、氯离子迁移以及核

4、素迁移过程验证了THI模型的适用性。基于模型研究了胶凝体系和环境条件对水泥基材料孔隙中的物质传输过程的影响规律。研究表明：(1)普通硅酸盐水泥复合矿物掺合料后抗溶蚀性能下降，但离子扩散系数减小，对放射性核素的阻滞作用增大；(2)环境pH值的升高会有效抑制溶蚀作用和降低核素逸出量；(3)环境溶液的盐浓度会影响材料内部局部电场分布以及核素迁移过程。本文最后使用THI模型分别完成了对海底沉管隧道120年寿命期内的耐久性评估和混凝土高整体容器(HIC)300年寿命期间的安全性评估。沉管隧道耐久性评估表明：溶蚀过程对材料耐久性影响不大，温

5、度对离子迁移过程的影响远大于海水压力的影响，120年期间沉管隧道中钢筋不会发生锈蚀。HIC安全性评估表明：溶蚀过程会明显增大放射性核素的累积逸出量，辐解升温和压力积聚都会增大放射性核素逸出量，但温度影响明显大于压力影响，容器壁厚增大对核素的阻抑效果明显。关键词：水泥基孔隙材料；多场多离子传输；非饱和介质；放射性核素；耐久性评估IAbstractAbstractThedeteriorationofcement-basedmaterialsaredeterminedbymasstransferpro-cessesbetweenpor

6、ousmaterialsandenvironment.Understandingmulti-speciestrans-portprocessesundermulti-fieldconditionsiscrucialfortheassessmentondurabilityandservicelifeofcement-basedporousmaterialsandconcretestructures.Thepresentthesisaimstoestablishacomprehensivemulti-fieldandmulti-spec

7、iestransportmodeltomakereliableassessmentoflong-termdurabilityofstructuresusingcement-basedmaterials.Themulti-fieldandmulti-speciestransporttheoryisfirststudiedconsideringmulti-field,solid-liquidequilibriumandgas-liquidequilibriuminmaterialpores.Themulti-fieldsincludeion

8、concentrationfield,electricfield,temperaturefieldandmois-turefield.Theelectricalfieldconsistsofexternalartificialelectricalfieldandlocalel