混凝土中界面过渡区的结构较为疏松,孔隙率较大,是有害离子入侵混凝土的快速通道。研究界面过渡区的微观结构和传输特性对提高混凝土耐久性及预测服役寿命具重要意义。然而,目前关于界面过渡区的研究尚不充分,数值模拟结果与试验结果还存在很大的差异。为此,本文使用改进的试验方法和多尺度模型,对界面过渡区的微观结构、传输特性和传输行为进行了系统研究。本文主要分为以下几个部分:(1)建立了一种基于自然扩散法的测量界面过渡区氯离子扩散系数的试验方法。该方法能够直观体现界面过渡区对氯离子扩散的影响,并定量计算界面过渡区的氯离子扩散系数。相较于外加电场的测量方法,该方法与真实混凝土中氯离子扩散的行为和机理更为接近。试验表明,水灰比会显著影响界面过渡区的氯离子扩散系数,但对相对扩散系数的影响有限。(2)从水泥的基本材料参数出发,基于界面过渡区形成机理和水泥水化原理,建立了界面过渡区的微观结构模型,并使用有限元方法对氯离子传输过程进行数值模拟。并将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了界面过渡区数值模型预测的准确性。通过数值模拟方法定量分析了水灰比、粒径分布、龄期对界面过渡区的厚度、孔隙率、氯离子扩散系数的影响,并从界面过渡区的形成原理出发,揭示了各个影响因素的作用机理。研究了孔隙结构与传输系数的关系,通过界面过渡区和水泥净浆的三维孔隙结构的差异,解释了两者传输行为和机理的区别。(3)从水泥基材料的基本材料参数出发,在微观、亚细观和细观尺度上建立水泥基材料的多尺度模型体系。通过大量的数值模拟计算,研究了骨料的随机性对整体传输性能随机性的影响,发现材料的随机性与研究尺度密切相关,并对两者的关系进行了量化表征。对随机性产生的原因进行了分析,探讨了随机性产生的两个主要来源:骨料体积分数的波动和骨料位置的随机分布。基于误差理论,研究了计算相对误差与模型尺寸的关系,为最小代表性单元的选择提供了依据。分析表明,周期性边界条件可以显著减小代表性单元的尺寸,从而降低建模难度并减小计算量。(4)建立了一个基于分散颗粒、连续基质和界面过渡区的三相复合材料模型,用于预测水泥基材料的传输性能。在该模型中,引入放大因子量化界面过渡区对复合材料性能的影响,并使用等效体积分数统一描述界面过渡区厚度、相对扩散系数、比表面积的影响。相较于其他模型,该模型全面考虑了界面过渡区的诸多参数,可以准确预测水泥基材料的传输性能。(5)研究了多种物质传输行为的差异性和相似性,明确了不同物质的主要传输介质:氯离子和电荷的主要传输介质是毛细孔溶液;氧气的主要传输介质是气相。研究了传输介质的体积分数与材料传输系数之间的关系,并从微观结构出发揭示了渗透阈值效应。基于水泥基材料的多尺度模型,预测水泥基材料的氯离子扩散系数、电阻率和氧气扩散系数,并使用试验数据验证了该模型的准确性。该模型的优势在于考虑了材料的微观结构和界面过渡区的影响,可以对多种物质的、非饱和条件下的传输系数进行预测。