随着“一带一路”、“西部大开发”和“海洋强国”国家战略的实施,大量的混凝土结构服役于严酷的环境中,其耐久性和安全性将面临严峻的挑战。实际工程中,处于水位变动区、浪溅区、干湿交界处的混凝土结构往往劣化最早,破坏也最为严重,主要原因是该区域的混凝土处于非饱和状态,外界有害介质在扩散、对流等多种机制下侵入,严重影响了混凝土结构的服役寿命,是结构耐久性设计的关键。研究非饱和混凝土的介质传输对于完善混凝土结构耐久性理论、提高耐久性设计水平具有重要意义,同时也为混凝土结构的寿命预测、维修与维护提供理论支撑。本文基于多孔介质理论与复合材料理论,以试验研究与模拟相结合,综合运用传统试验方法与现代分析测试技术,首先研究混凝土对水蒸气的等温吸附、脱附,并从定量和可视化的角度系统研究了非饱和混凝土的毛细吸水过程、特征和规律,同时以模型计算与试验相结合的方法研究了非饱和混凝土的氯离子传输行为,最后探究了带裂缝和损伤混凝土的水分与氯离子传输特性。得到以下研究成果:一、混凝土等温吸附-脱附特性以不同种类饱和盐溶液创造特定湿度环境,通过试验获得混凝土对水蒸气的等温吸附-脱附曲线,基于Laplace方程和Kelvin公式进一步得到水分特征曲线,在此基础上建立混凝土液相/气相相对渗透系数、液态水/水蒸气扩散系数与混凝土饱和度的关系。系统研究了水灰比、矿物掺合料种类与掺量对混凝土等温吸附-脱附特性、水分渗透性和扩散性能的影响,得到以下结论:(1)混凝土的脱附存在明显的滞后效应,吸附-脱附曲线滞回环面积能有效表征混凝土孔结构特征;(2)RH<70%时,混凝土凝胶孔吸附达到饱和,当RH>70%毛细孔逐渐饱和,混凝土的饱和度迅速增大;(3)随着混凝土饱和度的增加,气相渗透系数逐渐减小,液相渗透系数逐渐增大;当混凝土处于低饱和度(θ<0.5)时,水分传输以水蒸气扩散为主,而当饱和度大于0.6～0.7时,孔隙水连通,液态水扩散逐渐占据主导地位。二、非饱和混凝土水分传输的定量与可视化发明了 X-CT联合Cs离子增强原位、连续监测净浆、砂浆、混凝土毛细吸水的无损测试方法,显著提高了CT图像的对比度,可以准确判定水分的传输距离,为可视化追踪多孔材料的水分传输提供了有力工具,并利用该方法系统研究了水灰比、矿物掺合料、砂体积掺量等因素对水分传输的影响。基于重量法定量表征非饱和混凝土的毛细吸水,建立了混凝土吸水系数S与饱和度θ之间的定量关系:S=a(1-θ)b,为非饱和混凝土的耐久性研究提供基础。基于多孔介质水分传输理论与毛细吸水试验,构建了非饱和混凝土毛细吸水过程中水分时空分布计算模型,同时建立了毛细系数k与吸水系数S之间的理论关系:S/k=φ,并以试验予以验证。三、非饱和混凝土氯离子传输试验研究与模型计算分两种情况研究了非饱和混凝土的氯离子传输:(1)当混凝土不与外界发生水分交换,饱和度恒定时,氯离子的传输以扩散机制控制,修正了非饱和混凝土氯离子扩散模型,利用修正后的模型计算了不同饱和度净浆、砂浆、混凝土的氯离子扩散系数;(2)当混凝土存在毛细吸水,饱和度动态变化时,采用自然浸泡法研究非饱和混凝土扩散-对流机制下的氯离子传输,系统研究了水灰比、粉煤灰掺量、矿渣掺量、盐溶液浓度、浸泡时间对氯离子传输的影响;建立了非饱和混凝土氯离子扩散系数与初始饱和度的经验关系,D(θ)/Ds=ea(1-θ);构建了非饱和混凝土吸水系数与氯离子扩散系数之间的关系,S2/D=100φ(1-θ)6.750(W/C)+0.42,为非饱和混凝土氯离子扩散系数的快速获取提供了新方法。四、开裂混凝土(砂浆)的水分与氯离子传输通过嵌入钢片制备带裂缝砂浆试件,采用X-CT联合Cs离子增强技术原位追踪了带裂缝砂浆的水分传输,获得了裂缝宽度(0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm)、取向(纵向、横向)对水分传输的影响规律。在考虑吸水方向(向上、向下)的情况下,基于重量法研究了裂缝宽度对吸水系数的影响。同时,试验与模拟相结合研究了裂缝宽度对氯离子传输深度、扩散系数的影响,且考虑了重力作用的影响。而且,利用有限元模拟的方法研究了裂缝形态、内部缺陷、ITZ对氯离子传输的影响。结果表明:水分的上升高度随着纵向裂缝宽度的增大而减小,非饱和砂浆内横向裂缝的出现阻断了水分的传输路径,使水分绕过裂缝在砂浆中传输;非饱和情况下,影响水分、氯离子传输的临界裂缝宽度为0.1mm;饱和情况下,影响氯离子传输的临界裂缝宽度为0.2mm;重力作用的存在促进了水分与氯离子的传输。五、冻融、荷载损伤混凝土的水分与氯离子传输以冻融、荷载两种方式制备了不同损伤程度的混凝土,通过毛细吸水、电通量法研究损伤混凝土的水分与氯离子传输,建立了吸水系数、电通量与混凝土损伤度的定量关系。研究结果表明:混凝土的吸水系数随着损伤度的增大以线性或指数增长,同等损伤程度下,冻融损伤混凝土的吸水系数大于荷载损伤混凝土;冻融、荷载损伤混凝土的电通量均随着损伤度的增大线性增加;在饱和状态下,同等损伤度的混凝土抗氯离子渗透性接近,而当处于非饱和状态时,冻融损伤混凝土更易受到有害介质的侵蚀。