随着我国基础设施建设的迅猛发展，以大规模使用工业废渣与高效外加剂为代表的生态友好型现代高性能水泥基复合材料得到广泛运用。然而，现代高性能水泥基复合材料由于胶凝材料用量大、组分复杂、水胶比低的特点，造成其体积稳定性差，极易开裂;同时又因大量水泥基复合材料处于海洋、港口、盐湖以及低温等严酷自然环境中，更是加速其性能劣化导致结构过早失效，为土木工程可持续发展带来了极大的隐患。水泥基复合材料的劣化本质是由于侵蚀性介质（水、氯离子、硫酸根离子、二氧化碳等）通过各种传输通道（凝胶孔、毛细孔、界面和裂纹等）进入到材料内部生成腐蚀产物造成工程结构破坏。因此，研究侵蚀介质在现代水泥基复合材料中的传输行为对探究结构耐久性具有十分重要的意义。　　本文基于多孔介质力学及多尺度过渡理论，结合数值计算和三维可视化的方法，在分析现代混凝土组成和微结构的基础上，从纳米尺度的C-S-H凝胶出发，再到微观尺度的水泥净浆，最后上升至宏观尺度的混凝土，提炼出C-S-H凝胶孔、毛细孔、界面过渡区等侵蚀介质传输通道，并确定相应的有效传输系数，最终分别从数学计算和计算机模拟的两个角度建立现代水泥基复合材料从纳观→微观→细观→宏观的传输模型。论文所取得的主要创新性成果如下:　　一、微结构的动态演变过程　　为了探究现代水泥基复合材料微结构的形成过程，采用自行设计与改进的新型超声监测仪和非接触无电极电阻率仪，从两个视角、三个层次对水泥基复合材料自拌合开始直至结构基本形成全过程进行原位、连续地追踪监测，系统研究水灰比(0.23、035、0.53)、矿物掺合料种类（硅灰、粉煤灰、磨细矿渣）及掺量、集料等因素对早期水化微结构演变的影响规律。实验结果表明:　　(1)在混凝土层次上，超声波速-时间关系及其微分曲线上的三个特征点（预先逾渗时间、初始逾渗时间、完全连通时间）将结构形成过程划分预先诱导期、诱导期、加速期和减速期4个阶段;而在净浆和砂浆层次上仅出现后三个阶段。　　(2)基于电阻率-时间变化曲线，将水泥早期水化进程划分为溶解期、诱导期、加速期、减速期和稳定期5个阶段，并建立浆体电阻率与孔结构发展的定量关系;随着水灰比的降低，浆体的毛细孔隙率和收缩因子变小，曲折因子变大。　　在获取微结构形成机理之后，运用水化动力学和三维可视化的方法，定量分析和模拟微结构中固相连通和毛细孔阻断的全过程，最终确定固相和孔相的逾渗时间。同时，利用计算机X射线断层扫描法(X-CT)分别从二维和三维的角度直接观察微结构组分的空间分布和动态发展过程，并采用等温量热仪、维卡仪等测试手段对各组分的连通情况进行直接或间接的验证。对比实验测试和计算机模拟的结果，发现超声监测仪和电阻率仪分别反映固相和孔相的连通信息，其中毛细孔、C-S-H及CH相的逾渗阈值分别为0.18、0.12、0.12。在数值模拟毛细孔和C-S-H连通度的基础上，结合串并联模型对水泥浆体相对电阻率的变化进行分析，结果表明毛细孔完全连通之前，其连通度控制水泥浆体电阻率的变化;当毛细孔完全阻断后，C-S-H凝胶相的体积分数决定电阻率的大小。　　二、多尺度传输的解析模型　　基于Avrami水化动力学模型，通过分析水泥熟料与水化活性的关系，确定影响矿物相反应程度各因素的量化作用，建立了四种单矿与养护龄期、水灰比和温度相关的反应程度模型。在此基础上，通过研究水泥熟料与工业废渣各组分对微结构形成的作用机制、组分之间交互作用对水化产物的影响，提出水泥-矿物掺合料复合胶凝体系体积分数的定量计算模型。然后，综合采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热分析仪(DTA-TG)、压汞仪（MIP）等先进仪器对水泥基复合材料微结构中的水化产物、孔、界面的体积、尺寸和形貌及其时空演化过程进行测试与表征，并将实验结果与模型计算进行比对，发现二者吻合良好。　　根据现代水泥基复合材料多尺度的组成结构特征，从小到大依次提取出四种代表性单元体:C-S-H凝胶、净浆、砂浆和混凝土，将量化后各尺度物相的体积分数和孔结构特征值作为传输模型的输入参数，利用多孔介质理论和均匀化法则，综合考虑C-S-H凝胶类型、毛细孔逾渗、界面重叠以及矿物掺合料种类等因素，建立了从纳米尺度C-S-H凝胶出发到微细观尺度的净浆、砂浆直至宏观混凝土的扩散系数与微观结构参数定量关系的解析模型。基于模型预测的结果，探讨了水胶比、养护龄期、矿物掺合料、界面过渡区厚度、砂子体积分数以及砂率等因素对氯离子扩散系数的影响规律，最后利用稳态电加速法测试的实验结果对解析模型进行验证。　　三、基于三维微结构扩散系数的数值模拟　　基于真实胶凝材料的粒径分布、矿物相组成及分布等信息，运用背散射扫描电镜与自行开发的图像数字化处理程序，构建出新拌水泥浆体的初始微结构。然后，采用数字图像基水化模型(CEMHYD3D)模拟胶凝材料水化过程，获取水化过程和产物的各种理化参数，以及不同水化程度下微结构信息，并对凝胶材料的水化进程和微结构的形成过程进行三维可视化。同时，定量分析了水胶比、矿物掺合料等关键因素对现代水泥基复合材料早期水化机理与三维微结构形成过程的影响规律。为了验证模型的可靠性与准确性，采用等温量热仪验证水泥浆体早期水化放热量，此外还利用DTA-TG、XRD和MIP等实验仪器验证水泥水化程度和氢氧化钙、C-S-H凝胶和孔隙等物相体积分数，对比结果表明计算机模型的预测结果非常可靠。　　同样根据现代水泥基复合材料的微结构多尺度特征和氯离子传输特点，运用计算机模拟和图像处理技术首先分别构造出低密度C-S-H凝胶、高密度C-S-H凝胶、净浆和砂浆混凝土的三维微结构。从微结构中提取出凝胶孔、毛细孔以及界面过渡区三类传输通道，基于电模拟和随机行走算法逐尺度建立从纳观→微观→宏观的水泥基复合材料氯离子传输数值模型。另外，在宏观尺度上重构出含有裂缝的水泥基复合材料三维微结构，并考察裂缝多种特征参数（体积分数、长度、宽度）对传输性能的影响。研究表明氯离子扩散系数随着裂缝体积分数和长度的增加而提高，而裂缝宽度却表现出相反的现象;数值模拟结果与扩散实验数据的对比显示两者具有较好的吻合度，尤其在低水灰比时，模拟结果的精度更高。　　四、X-CT原位观察毛细吸水过程　　采用无损X-CT技术原位、连续、可视化追踪水分在毛细管抽吸作用下侵入非饱和水泥基复合材料的动态过程，根据压汞法和灰度图像处理结果，分析水灰比、矿物掺合料对毛细吸收深度系数和质量系数的影响，最后利用测重法验证X-CT法的可靠性。研究发现X-CT技术是无损观察水泥基复合材料内部水分传输行为的一个重要工具，它根据毛细吸水之后材料灰度值的变化进而监测水分的动态侵入过程，并且具有较高的分辨率;水泥基复合材料开始发生毛细吸水时，水分前锋不断向材料内部推进，而且早期推进速率较高，后期趋于平缓直至平衡。掺加磨细矿渣以及降低水灰比都显著延缓水分侵入速率;X-CT成像方法不仅能够定量表征水分侵入深度的演变，还能够准确预测毛细吸水质量的变化，并且两者都与时间平方根之间呈线性关系。