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伴随着人类生存空间的不断扩展和生存环境的日趋多样化,大量混凝土结构长期处于极其恶劣的环境之下,其中在高寒地区冻融循环作用对混凝土材料力学性能和耐久性影响巨大。作为一种典型的人工复合材料,混凝土包含的三相结构(孔隙、骨料、砂浆)特征与其宏观性能存在着密切的关系,开展针对冻融循环作用下混凝土三相结构演化规律相关研究对深入探讨混凝土材料损伤破坏机理,指导混凝土材料配合比与生产工艺改进具有极为重要的意义。孔隙结构是混凝土材料三相结构中对其抗冻性能影响最为直接的组成部分,目前的研究主要集中在定性分析以及以孔隙率为主要参数的初步定量分析当中。然而,该方法仅能表征孔隙结构的部分特征。因此在混凝土材料细微观结构研究中引入孔径分布等参数,全面考虑孔结构特征具有重要意义。开展工作如下:(1)开展了冻融循环作用下混凝土材料内部孔隙结构演化规律的研究。研究中在传统孔隙结构测试方法压汞法的基础上,引入CT扫描技术,将孔隙孔径测试范围扩大至10nm至10mm。在CT扫描研究中,引入CT数均值和盒维数分型模型,其中CT数均值能够较为粗略地描述混凝土试样在冻融循环作用下的损伤过程,而盒维数分型模型能够有效体现CT可识别孔的分形特征。针对孔隙率作为单一参数在描述孔隙结构特征方面的不足,文中引入了孔径分布、孔隙数量等参数作为辅助。研究表明,冻融循环后有害孔比重逐渐增长,经历100次冻融循环后混凝土孔隙结构发生了显著的变化。(2)建立了混凝土细观孔隙结构特征与宏观力学性能的关系,并引入了损伤理论,在分析冻融循环作用下混凝土宏观破坏发展规律的基础上,结合研究中的CT扫描试验数据建立了以孔隙率、CT数均值和CT数标准差为参数的损伤模型,研究表明损伤变量与冻融循环次数具有较强的线性相关关系,其中孔隙率损伤参数和CT数标准差损伤参数均能较好地反应冻融循环损伤过程度,而CT数均值损伤参数在损伤程度较大时有效性较差。(3)基于CT扫描建立的数字模型,分别采用立体光刻和三维喷墨两种3D打印工艺制备了包含混凝土细观结构特征的3D打印试样并开展了宏观力学试验。研究表明,3D打印技术能够精确还原混凝土内部细观孔隙结构特征,其中,立体光刻技术能够实现混凝土材料的三相结构打印。3D打印试样的孔结构-宏观强度关系与其打印工艺及打印材料密切相关,采用三维喷墨工艺指标的试样与真实混凝土试样孔结构-强度关系上一致性较强。