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1、水泥基孔隙材料多場多離子遷移過程研究（申請清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文）培養(yǎng)單位：土木工程系學(xué)科：土木工程研究生：龐曉贇指導(dǎo)教師：李克非教授二〇一五年六月Thermo-Hydro-IonicTransportofMulti-speciesinCement-basedPorousMaterialsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialful?llmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringbyXiaoyunPan
2、g(CivilEngineering)DissertationSupervisor:ProfessorKefeiLiJune,2015摘要摘要水泥基材料在服役條件下受多種環(huán)境作用，孔隙與環(huán)境間的物質(zhì)遷移決定材料長期性能的演變規(guī)律。全面描述水泥基材料中多種離子在多場條件下的遷移過程對準(zhǔn)確預(yù)測材料與結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命有重大意義。本文研究目的是建立多場多離子遷移理論模型，準(zhǔn)確預(yù)測水泥基材料與結(jié)構(gòu)的長期耐久性。本文首先研究了多場多離子遷移過程理論，討論了發(fā)生在水泥基孔隙材料中的多場環(huán)境、固液平衡和氣液平衡等基本條件。水泥基材料中的多
3、場環(huán)境涉及濃度場、電場、溫度場和濕度場。本文考慮了外加電場和多離子遷移過程產(chǎn)生的局部電場；考慮了固相溶解平衡和離子吸附平衡，采用固溶體理論描述了CH和C-S-H的溶解平衡；利用化學(xué)勢和力學(xué)平衡關(guān)系建立了水蒸氣與孔隙水、孔隙氣相與液相的平衡條件。本文然后在多場多離子遷移理論基礎(chǔ)上，建立了全面考慮熱量、濕度、多離子耦合傳輸?shù)亩鄨龆嚯x子(THI)數(shù)值模型，并考慮了放射性核素離子的遷移過程及其衰變過程。本文通過水蒸氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)、放射性核素吸附實(shí)驗(yàn)以及核素溶液浸泡試驗(yàn)，研究了水泥基材料的吸附性質(zhì)。采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分別從溶蝕、氯離子遷移以及核
4、素遷移過程驗(yàn)證了THI模型的適用性?；谀Ｐ脱芯苛四z凝體系和環(huán)境條件對水泥基材料孔隙中的物質(zhì)傳輸過程的影響規(guī)律。研究表明：(1)普通硅酸鹽水泥復(fù)合礦物摻合料后抗溶蝕性能下降，但離子擴(kuò)散系數(shù)減小，對放射性核素的阻滯作用增大；(2)環(huán)境pH值的升高會有效抑制溶蝕作用和降低核素逸出量；(3)環(huán)境溶液的鹽濃度會影響材料內(nèi)部局部電場分布以及核素遷移過程。本文最后使用THI模型分別完成了對海底沉管隧道120年壽命期內(nèi)的耐久性評估和混凝土高整體容器(HIC)300年壽命期間的安全性評估。沉管隧道耐久性評估表明：溶蝕過程對材料耐久性影響不大，溫
5、度對離子遷移過程的影響遠(yuǎn)大于海水壓力的影響，120年期間沉管隧道中鋼筋不會發(fā)生銹蝕。HIC安全性評估表明：溶蝕過程會明顯增大放射性核素的累積逸出量，輻解升溫和壓力積聚都會增大放射性核素逸出量，但溫度影響明顯大于壓力影響，容器壁厚增大對核素的阻抑效果明顯。關(guān)鍵詞：水泥基孔隙材料；多場多離子傳輸；非飽和介質(zhì)；放射性核素；耐久性評估IAbstractAbstractThedeteriorationofcement-basedmaterialsaredeterminedbymasstransferpro-cessesbetweenpor
6、ousmaterialsandenvironment.Understandingmulti-speciestrans-portprocessesundermulti-?eldconditionsiscrucialfortheassessmentondurabilityandservicelifeofcement-basedporousmaterialsandconcretestructures.Thepresentthesisaimstoestablishacomprehensivemulti-?eldandmulti-spec
7、iestransportmodeltomakereliableassessmentoflong-termdurabilityofstructuresusingcement-basedmaterials.Themulti-?eldandmulti-speciestransporttheoryis?rststudiedconsideringmulti-?eld,solid-liquidequilibriumandgas-liquidequilibriuminmaterialpores.Themulti-?eldsincludeion
8、concentration?eld,electric?eld,temperature?eldandmois-ture?eld.Theelectrical?eldconsistsofexternalarti?cialelectrical?eldandlocalel
