[00138373]滨海环境绿色混凝土材料微结构设计与耐久性评估的研究

一、课题来源与背景 本课题来源于国家自然科学基金与科技部973计划课题的科研课题。随着国家经济快速发展与“海洋强国战略”延伸,一大批重大基础工程正在我国海洋区域规划与建设中。这些正在建设或将要建设的重点海洋基础设施大多是大体积钢筋混凝土结构,服役寿命大多要求100年以上。海洋环境恶劣的气候条件和高浓度侵蚀介质易导致混凝土材料内部微结构破坏、胶凝力急速退化,进而造成海洋混凝土结构普遍出现性能提前下降,混凝土材料与结构往往过早失效,服役寿命达不到设计使用年限。海洋环境下存在混凝土易开裂,早腐蚀,难防护,长期性能难以准确评估等难题。 二、研究目的与意义 针对海洋环境下混凝土易开裂,早腐蚀,难防护,长期性能难以准确评估等难题,将混凝土材料的设计深入到纳米分子层次,利用反应场分子动力学理论,解码并构建了混凝土胶凝材料关键水化产物的分子模型,科学的阐释了混凝土材料微观结构演变规律;采用核磁共振等先进测试技术揭示了海洋环境作用下混凝土的胶凝材料微观结构劣化的机理,并且探明了矿物掺合料抵抗硫酸盐侵蚀的作用机制;探明了提升凝胶材料抗侵蚀能力的关键微结构参数,提出了海洋环境下混凝土材料微结构调控与优化准则;基于颗粒紧密堆积理论,充分调用矿渣等辅助胶凝材料协同配伍作用,开发了绿色高性能海工混凝土制备技术;将场变响应监测技术和信息熵理论有机结合,实现了基于磁场响应的钢筋锈蚀程度的定量表征,提出了从胶凝材料水化到钢筋锈蚀破坏的混凝土结构全寿命服役性能退化智慧感知与评价方法。通过这些研究,不仅实现了理论上的突破,而且为我国海洋工程高耐久、长寿命服役提供了有力的保障。 三、主要论点与论据 （1）混凝土微结构分子动力学模型建模与验证。将混凝土材料的设计深入到纳米分子层次,首次利用反应场分子动力学理论,解码并构建了混凝土胶凝材料关键水化产物的分子模型,科学地阐释了混凝土材料微观结构演变规律。 （2）水分与离子在胶凝材料水化产物的迁移性能研究。利用分子动力学模拟研究了CSH/CASH凝胶孔隙中水和离子的非饱和传输过程,首先通过分析随时间变化的侵入深度和溶液浓度分布,来研究不同约束条件下溶液的传输速率;随后,通过水和离子的界面局部结构和动力学性质来解析硅铝酸盐基板影响毛细管传输过程的原因。通过多重分析方法,来揭示不同孔道内水和离子的传输行为及微观机理。 （3）侵蚀性离子对混凝土凝胶微结构的劣化机理研究。采用核磁共振等先进测试技术揭示了海洋环境作用下混凝土的胶凝材料微观结构劣化的机理,并且探明了矿物掺合料抵抗硫酸盐侵蚀的作用机制;探明了提升凝胶材料抗侵蚀能力的关键微结构参数,提出了海洋环境下高耐久性混凝土材料微结构调控与优化准则。 （4）绿色高性能混凝土制备技术及耐久性能研究。基于颗粒紧密堆积理论,充分调用矿渣等辅助胶凝材料协同配伍作用,开发了绿色高性能海工混凝土制备技术。根据滨海混凝土的服役环境条件,开展室内模拟试验和实海暴露试验研究绿色高性能混凝土的耐久性能,为科学回答混凝土的服役寿命奠定试验和理论基础。 （5）滨海环境下钢筋混凝土结构耐久性监测与评估。将场变响应监测技术和信息熵理论有机结合,实现了基于磁场响应的钢筋锈蚀程度的定量表征,提出了从胶凝材料水化到钢筋锈蚀破坏的混凝土结构全寿命服役性能退化智慧感知与评价方法,科学评价滨海环境下钢筋混凝土结构服役寿命。。 四、创见与创新 1.采用分子动力学构建了切合实际的混凝土材料微观分子模型,探明了混凝土材料微观结构与性能的关联机制,揭示了滨海环境作用下材料微结构的劣化机理,发展了混凝土材料多尺度传输模拟方法,为混凝土材料的耐久性设计提供了理论指导。 2.针对侵蚀环境下混凝土材料微结构劣化问题,阐析了混凝土材料微结构形成与演变规律,确定了混凝土材料微结构设计理论的要素和依据,并借助于矿物掺合料与功能组分的协同配伍作用,及碳纳米材料与聚合物材料的微结构修复作用,实现了混凝土材料的微结构的优化与耐久性能的提升。 五、社会经济效益,存在的问题 成果极大的提升了混凝土材料的性能,突破了制约其滨海环境应用的技术难题,拓宽了应用广度和深度。开发的绿色高性能混凝土材料与耐久性提升技术,成功应用于青岛地铁隧道、虎门二桥、海南三亚机场等重大滨海工程,覆盖山东、广东与海南等省,推广范围大,有效保障了我国沿海工程结构的耐久性。