冻融循环作用是造成寒冷地区混凝土材料病害的一个主要原因。混凝土材料在极端的严寒天气中,受到温度荷载的交替作用从而产生静水压力最终导致微裂缝、微孔隙的发展形成宏观裂缝而侵蚀剥落,造成混凝土质量流失、材料强度弱化等病害。通常混凝土质量损失和相对动弹性模量是表征其抗冻融性能的主要指标。这两种方法均侧重于表征混凝土宏观性能的降低,因此大多数混凝土的抗冻融性能研究侧重于表征宏观性能的劣化。本文提出利用断层图像技术与数值模型对混凝土冻融细观损伤进行深入研究,对提高混凝土抗冻融耐久性具有重要意义。本文将断层图像技术作为主要研究工具,结合数字图像处理技术、概率统计学等手段对混凝土冻融细观损伤进行系统深入的分析。通过断层图像得到的混凝土内部真实气孔系统,引入最近表面间距函数提出了一种优化的气孔间距系数作为重要指标来表征凝土抗冻融性能。同时利用细观力学、损伤力学、实验力学和数值模拟计算相结合的办法,研究冻融混凝土数值模型构建并分析了混凝土冻融细观损伤与宏观力学性能之间的关系。本文主要的研究工作与取得的成果如下:(1)借助不同分辨率的X-ray CT扫描技术实现冻融作用下不同尺度的混凝土CT扫描实验;针对CT技术应用于混凝土材料的图像分割难点问题提出了一种基于体积分数的图像分割方法。该方法提高了图像分割的精准度,实现混凝土材料内部骨料、孔洞和裂缝的精准分割,为研究冻融混凝土材料的细观损伤演化规律提供基础数据。分析研究表明:混凝土冻融循环具有深度效应,冻融损伤的发展具有由外向内,速率先增大后平稳的特点;冻融循环时,新增的孔洞会与原微孔洞呈团簇状发展,形成宏观孔洞和裂缝。冻融循环对低退化骨料有显著影响,1500次冻融循环骨料的损伤率是0循环的9倍;早期冻融循环作用(0-600次)会对超高性能混凝土造成梁底和侧面部分的水泥浆体脱落,但是内部几乎没有任何损伤;后期冻融循环(600次之后)会对超高性能混泥土水泥浆体造成“淡斑”状的损伤,一般出现在界面过渡区附近。提出基于灰度值的界面过渡区损伤表征办法,为研究混凝土冻融损伤提供了新的方法。(2)基于CT图像提供的混凝土内部气孔真实分布信息,引入最近表面间距函数理论,提出求解混凝土气孔间距系数的方法,优化了ASTM C457中关于混凝土抗冻融性能重要指标即间距系数的表征。结果表明:利用二维图像得到的间距系数与三维模型的结果误差保持在合理范围,大大减少了计算机运算的时间。同时,超高性能混凝土的间距系数普遍比普通混凝土的要小;随着引气剂含量的增加,间距系数会相应减小,混凝土抗冻融耐久系数增大。掺入相同剂量的引气剂时,超高性能混凝土的气孔体积分数要比普通混凝土的小。即便拥有相同的间距系数,超高性能混凝土的抗冻融性能明显高于普通混凝土。(3)通过数字图像处理技术及有限元技术构建了混凝土真实细观结构数值模型,基于细观力学中材料均匀化理论对混凝土冻融弹性模量损伤进行研究。系统分析了基于CT图像数值模型代表体单元的影响因素,包括模型尺寸、空间位置、钢纤维方向分布、CT图像处理方式及孔隙分布对模型的影响。建立了混凝土冻融细观损伤与宏观力学性能之间的联系,为混凝土整体弹性性能评价提供了有效技术手段。得到的结论有:混凝土材料宏观尺度的有效弹性性能可以通过CT图像的均匀化数值模型来预测。该模型的代表体单元受到图像尺寸、空间位置和统计数量的影响,对于最大长度为19.2mm的立方体模型,尺寸为9mm的代表体单元足以获得数值计算收敛性;计算模型的弹性模量受孔隙率、钢纤维体积分数、孔洞大小和空间分布的综合影响。孔隙率越大、钢纤维体积分数越小,计算模型的弹性模量就越小,反之亦然。模型中孔径尺寸大于1mm的孔洞对弹性模量的影响十分显著;CT图像分辨率的变化不会对计算结果造成太大的影响,但是图像滤波器的添加会使得模型中微孔洞被人为消除从而导致计算结果的较大误差。(4)将有限元技术与CT图像技术结合,模拟超声波在混凝土中的传播过程,从而推导出冻融作用下混凝土波弹性模量的演变规律。探究性的揭示了声波学中混凝土的波弹性模量比相应的静态弹性模量偏高的机理。深入分析了冻融作用下混凝土的骨料、孔洞和裂缝等细观结构损伤对波弹性模量的影响。分析研究表明:骨料的均齐度并不是影响混凝土波弹性模量偏高的主要原因;同时,骨料的体积分数对其波弹性模量有着一定的影响;骨料在混凝土中的方向分布对静态弹性模量的影响不大,但是对波弹性模量有显著的影响。当骨料的最大长度尺寸与剪切波方向垂直时,所测得的波弹性模量最大;当骨料的最大长度尺寸与剪切波平行时,所测得的波弹性模量最小。规则形状孔洞对混凝土波弹性模量有着轻微的影响;裂缝及球形度小于0.45的孔洞是造成波弹性模量偏高的主要原因。