混凝土中水分迁移的可视化成像追踪及其动力学规律研究

水分是混凝土材料发生大多数耐久性破坏不可缺少的条件和众多失效机理与模型建立的重要因素。由于测试技术的局限性，对水分在混凝土中的迁移动力学机理与模型的深化研究亟待先进实验手段的支持。本项目将针对混凝土中的水分以气相和液相迁移的非线性湿扩散和毛细吸水问题进行理论和系统试验研究。通过混凝土湿扩散试验，基于遗传算法优化提出一种非线性湿扩散系数的反向求解方法；突破常规实验手段，创造性应用中子透射成像技术，实现对非透明性混凝土中水分迁移状况的可视化动态追踪，并通过数据后处理软件定量分析混凝土湿扩散和毛细吸水过程中水分空间分布规律；根据中子试验结果，验证混凝土湿扩散和毛细吸水非线性模型的合理性，建立真实可靠的混凝土非线性湿扩散和毛细吸水动力学模型。为深入研究混凝土的耐久性破坏机理，建立考虑水分迁移的混凝土耐久性评价和寿命预测体系提供科学依据，具有重要的理论参考价值和应用价值。

水泥混凝土结构的耐久性问题是土木工程界关注的热点，关系节能、节材和环境保护，对社会、经济可持续协调发展有重要影响。在水泥基材料的诸多耐久性劣化过程中，水分的存在和迁移是不可或缺的必要条件和重要因素，研究其中水分迁移运动规律、机理及动力学模型，对深入理解材料的耐久性失效机制具有十分重要的理论和应用价值。由于测试技术的局限性，对水分在混凝土材料中的迁移动力学机理与模型的深化研究亟待先进实验手段的支持。本项目针对混凝土中的水分以气相和液相迁移的非线性湿扩散和毛细吸水问题进行了系统试验和理论研究。. 本项目主要（1）研究了不同湿度梯度下混凝土的湿扩散规律及其非线性模型，综合考虑非线性关系以及材料参数、边界和初始条件等，基于遗传算法优化，提出了混凝土非线性湿扩散系数反向求解方法，并通过三组独立数据验证了该方法的可行性和较高满意度；（2）研究了中子射线对水分迁移运动的特殊敏感性及其对非透明混凝土的可视化原理，研究分析了中子衰减规律，建立了水泥基材料内部水分定量计算方法；（3）成功应用先进的中子透射技术，实现了对非透明混凝土湿扩散过程和毛细吸水过程中水分以气相和液相迁移运动的可视化成像追踪，并根据定量分析方法，通过IDL和QNI等程序对材料内部的水分空间分布进行了定量表征。水分前锋在毛细吸附力作用下持续向水泥基体深处推进，揭示了初期速度快、后趋于平缓直至稳定的三阶段演变特点；引气剂引入的均匀独立的微小气泡能够阻隔基体内部毛细管通道，延长毛细孔被水充满的时间，降低水分侵入速度；提出了水分渗透系数的双曲线衰减模型和水分含量分布的“线性+反S形”模型，与实测数据吻合良好。以及其它研究内容和成果，详见报告正文。本项目为深入研究混凝土材料的耐久性破坏机理提供了科学依据，具有重要的理论参考和应用价值。. 本项目经三年的研究，全面完成了项目计划书中的各项研究任务，工作进展顺利，并取得了预期的研究成果。本项目共计发表标注资助学术论文18篇，其中SCI收录论文2篇，EI收录论文9篇；申请获准实用新型专利2项；参与1部国家行业标准的编制。获2011年青岛市自然科学二等奖，2011年山东省高等学校优秀科研成果二等奖和三等奖，博士论文获2012年山东省优秀博士学位论文。