超高性能纤维增强水泥基复合材料(UHPFRCC)是一种具有优异力学性能和耐久性能的新型水泥基材料,具有十分广阔的应用前景。UHPFRCC已经在北美、欧洲、日本和澳大利亚等地得到了一定的应用,并取得了极佳的反馈和评价。然而,如今UHPFRCC仍未能在世界范围内得到广泛的应用,其原因除了价格因素之外,主要是由于缺乏相应的UHPFRCC材料和结构的设计标准。UHPFRCC的微观结构致密,具有十分优异的抗氯离子渗透性能,因此海洋工程是其潜在的应用领域之一。钢筋锈蚀是造成海洋环境中混凝土结构破坏的主要原因,而采用UHPFRCC建造海洋工程能够延长工程的服役寿命,进而降低维护和重建成本。另一方面,在实际工程中,混凝土结构通常是在承载和开裂的状态下工作的,而混凝土结构开裂最为常见的原因是弯曲荷载的作用,因此本文研究了弯曲荷载和氯离子侵蚀耦合作用下UHPFRCC结构的氯离子传输性能并提出了寿命预测方法,研究结果能为氯盐环境中UHPFRCC材料和结构的耐久性设计提供参考和依据。本文以预测UHPFRCC结构在弯曲荷载和氯盐侵蚀耦合作用下的服役寿命为研究目的。围绕这一目的,本文制备了UHPFRCC材料并测试了UHPFRCC的基本力学性能和耐久性能；通过HYMOSTRUC模型、Anm模型和Matlab程序分别模拟了UHPFRCC的微观、细观和宏观结构；在Fick扩散定律和有限元法的基础上建立了预测UHPFRCC氯离子传输性能的多尺度模拟方法；利用Lattice断裂模型模拟了UHPFRCC在弯曲荷载作用下的力学行为；而后根据Fick扩散定律和有限差分法提出了氯离子在裂缝和开裂UHPFRCC中传输过程的模拟方法,最终在此基础上预测了完好和开裂UHPFRCC结构在氯盐环境中的服役寿命,并研究了各种因素对开裂UHPFRCC结构服役寿命的影响。本文主要的研究内容、方法和结论具体如下：1)通过实验研究明确了UHPFRCC主要的力学性能和耐久性能,并着重研究了UHPFRCC在弯曲荷载作用下的耐久性能制备了强度等级为150 MPa的UHPFRCC材料,测试了UHPFRCC的抗压强度,抗折强度和韧性等力学性能,研究了养护龄期、纤维掺量和养护制度对UHPFRCC力学性能的影响；测试了UHPFRCC干燥收缩、抗氯离子渗透、抗冻融和抗碳化等耐久性能,研究了浸泡时间、纤维掺量、荷载和养护制度对UHPFRCC抗氯离子渗透性能的影响以及荷载、钢纤维掺量和养护制度对UHPFRCC抗冻融性能的影响。结果表明：UHPFRCC具有极其优异的力学性能,标准养护时早期强度增长快,后期强度高且增长平稳；高温养护和蒸汽养护能使UHPFRCC在较短的时间内得到足够的力学性能；钢纤维的掺加显著的提高了UHPFRCC的抗折强度和韧性；UHPFRCC具有十分优异的耐久性能,收缩应变值较低,抗氯离子渗透性能、抗冻融性能以及抗碳化性能均十分优异；在弯曲荷载作用下,UHPFRCC的抗氯离子渗透性能和抗冻融性能均有一定程度的降低。2)利用不同尺度上的结构模型,建立了UHPFRCC的微观、细观和宏观结构通过材料科学可知,UHPFRCC在不同尺度上的组成结构决定了它的宏观性能。本文将UHPFRCC的结构分成了三个尺度：微观(μm级)、细观(mm级)和宏观(cm级)。在微观尺度上,研究对象为UHPFRCC的浆体,其微观结构通过扩展的HYMOSTRUC模型模拟得到,该模型可以用于模拟含有粉煤灰和硅灰的UHPFRCC浆体的微观结构,并考虑了粉煤灰和硅灰在体系中的填充效应和火山灰效应；细观尺度上的研究对象是UHPFRCC基体,包括浆体和集料,其细观结构通过Anm模型模拟得到,Anm模型最大的优势是可以模拟不规则集料颗粒的堆积过程；宏观尺度上的研究对象即为UHPFRCC试件,包括基体和钢纤维,其宏观结构通过自编的Matlab程序模拟得到。3)通过有限元法求解Fick严散方程,建立了预测UHPFRCC氯离子传输性能的多尺度方法UHPFRCC本身的氯离子传输性能是决定其在氯盐环境中服役寿命的主要因素。文中以UHPFRCC的微观和细观结构为输入条件,利用有限元法求解扩散方程,预测了UHPFRCC浆体和基体的氯离子扩散系数。在微观尺度上,研究了水胶比、粉煤灰掺量和硅灰掺量对UHPFRCC浆体氯离子扩散系数的影响。结果表明,在通常情况下,UHPFRCC浆体的氯离子扩散系数随着水胶比和粉煤灰掺量的升高而升高,随着硅灰掺量的升高而降低。在细观尺度上,研究了集料体积分数及形状对UHPFRCC基体氯离子扩散系数的影响。结果表明,UHPFRCC基体的氯离子扩散系数随着集料体积分数的升高而降低,而集料形状对UHPFRCC基体氯离子扩散系数的影响不大。在宏观尺度上,基于两相模型预测了UHPFRCC本身的氯离子扩散系数,其值与钢纤维掺量有关。4)利用Lattice断裂模型,模拟了UHPFRCC在弯曲荷载作用下的力学行为,跟踪了UHPFRCC中裂缝的形成过程,提出了从模拟结果中提取裂缝形貌信息的方法在弯曲应力作用下,UHPFRCC通常会表现出应变强化和多缝开裂的性质。利用Lattice断裂模型模拟得到了UHPFRCC在弯曲荷载作用下的荷载挠度曲线和裂缝的形成过程,Lattice断裂模型的模拟结果与实验结果相符,能较好的模拟UHPFRCC的应变强化和多缝开裂行为。利用Lattice断裂模型研究了纤维分布和掺量对UHPFRCC抗折性能的影响。结果表明,纤维单向分布时UHPFRCC的抗折性能优于随机分布,随着纤维掺量的提高UHPFRCC的抗折性能提高。此外,在Lattice断裂模型结果的基础上,本文提出了提取裂缝形貌信息的方法。裂缝的形貌信息包括深度和宽度等,这些信息对研究开裂UHPFRCC的氯离子传输性能至关重要。5)利用有限差分法,模拟了氯离子在开裂UHPFRCC中的传输过程,在此基础上建立了开裂UHPFRCC结构在氯盐环境中服役寿命的预测方法除了UHPFRCC本身的氯离子扩散系数以外,氯离子在裂缝中的传输性能对氯离子在整个开裂UHPFRCC中的传输过程也有极大的影响。本文通过模拟氯离子稳态扩散实验,计算得到了裂缝中的表观氯离子扩散系数,并研究了裂缝形貌对开裂混凝土氯离子传输性能的影响。研究结果表明,裂缝的表观氯离子扩散系数与裂缝的宽度并不直接相关,而与裂缝的曲折度和狭窄处的宽度和数量有关。基于电化学,研究了氯离子在裂缝溶液中的传输性能,研究结果表明,氯离子在溶液中的传输速度与其在溶液中的浓度有关。基于有限差分法,建立了氯离子在开裂UHPFRCC中传输过程的模拟方法,并给出了计算实例,从计算结果可知氯离子除了可以从裂缝的表面向UHPFRCC内部传输以外,还可以通过裂缝尖端向材料内部传输,裂缝尖端处的氯离子渗透深度最大。根据模拟得到的氯离子传输过程,预测了完好和开裂的UHPFRCC结构在氯盐环境中的服役寿命,并研究了UHPFRCC氯离子扩散系数、表面氯离子浓度、裂缝形貌等因素对UHPFRCC结构服役寿命的影响,结果表明UHPFRCC结构的服役寿命随着UHPFRCC本身氯离子扩散系数和表面氯离子浓度的减小而增加,随着裂缝宽度和深度的增加,开裂UHPFRCC结构服役寿命降低,而随着裂缝曲折度的升高、裂缝中狭窄处宽度的减小和数量的增加,开裂UHPFRCC结构的服役寿命增加。