适用于滨海环境的高品质绿色结构混凝土设计与耐久性研究

The rapid increase of construction and industrial waste has posed a great threat on the environment, yet traditional renewing methods are of low efficiency. Meanwhile, aggressive marine environment has also brought a huge challenge to the modern civil engineering structures. To overcome these issues, in this project, it is proposed to design a new high quality green structural concrete applying especially to the marine environment. Adopting alkaline activating technique, this concrete uses industrial by-products, such as red mud, as the main materials, and construction waste as renewable aggregates. The microstructure of the ITZ and its mechanical properties on a nano-scale will be studied, using techniques such as Nano-indentation, X-CT. A practical manual of handling the alkaline activated structural concrete will be produced. In addition, the impact of the marine environment including chloride corrosion, sulfate attack and carbonation, on the concrete will be evaluated. This project paves way for a novel application of alkaline activated structural concrete and will provide a feasible solution to the sustainable development of new marine infrastructures.

建筑、工业废弃物的急速增长对环境造成巨大压力，而其传统利用方式附加值低；加之，滨海土木工程结构对耐久性的要求更高。因此，本项目使用赤泥等工业废弃物为凝胶材料、建筑废弃物为再生骨料，制备高品质绿色结构混凝土。本项目研究界面过渡区纳微观结构和力学性能，完善碱激发混凝土技术，考察其在滨海环境中的耐久性。从理论层面上，本项目完善碱激发结构混凝土界面过渡区的相关基础理论，考查滨海环境中该混凝土抗腐蚀性的能力。从技术层面上，本项目提供绿色碱激发混凝土新拌合物的技术操作参数；使用X-CT、纳米压痕等技术手段获得界面过渡区的三维孔隙结构、纳微观力学性能等信息。本项目研究成果将对完善碱激发混凝土技术及其基础理论，促进再生骨料在碱激发混凝土技术中的应用，达到应用于滨海环境的碱激发结构混凝土高品质化，实现赤泥及城市建筑废弃物的大宗利用，促进新型滨海环境耐久性绿色建材的开发具有重要科学意义和应用前景。

本项目提出绿色高品质碱激发混凝土概念，采用工业废渣为凝胶材料，使用建筑废弃物为再生骨料，研究了完全使用再生粗骨料的碱激发混凝土宏观性能与影响因素之间的关系，建立了碱激发再生混凝土的水固比(W/GPS)与抗压强度关系式，并围绕该计算式提出了一套基于强度的碱激发再生混凝土配合比设计方法，并通过试配混凝土予以验证。在相同配合比条件下，对比了分别使用天然骨料与再生骨料以及胶凝组分中矿物掺量不同时的混凝土性能。通过试配在试验条件下得到了以强度为目标性能的最优碱胶比，并推荐了砂率、浆骨质量比等参数的适宜取值范围。利用微观技术手段（X-CT、SEM-EDX等）对不同碱胶比与不同矿物组成条件下混凝土小试块界面过渡区的结合紧密程度、微观形貌、元素组成、孔隙分布等特征进行了分析。根据破坏难易程度将其内部划分为不同的三类区域（不易发生破坏的胶凝材料区、产物成分复杂的新界面过渡区以及最为薄弱的“旧界面”区），“旧界面”随机性太高而并不一定能成为真实的连续界面，它对混凝土抗压强度的影响通过其本身对新界面区粘结情况的影响而体现。本项目尝试应用和碱激发矿渣产物凝胶具有相似组成的合成C-A-S-H凝胶对碱激发矿渣进行改性。将水热合成的C-A-S-H凝胶颗粒按照一定比例掺加到矿渣中，通过水化热、SEM和MIP等表征方法研究了合成C-A-S-H凝胶对碱激发矿渣水化进程、力学性能和微观结构等方面的影响。在力学性能方面，合成C-A-S-H凝胶能在一定程度上提高碱激发矿渣的抗折与抗压强度，对抗折强度的提升效果比抗压更为显著；在微观结构上，合成C-A-S-H凝胶掺加到矿渣之后，可使碱激发矿渣体系中生成高Ca/Si的纤维状或二维片状的凝胶产物，这些产物可能给碱激发矿渣抗折性能带来改善，同时也可小幅度降低碱激发矿渣硬化浆体的孔隙率，优化孔结构分布。本项目研究成果对完善碱激发混凝土基础理论，促进使用再生骨料的碱激发混凝土技术的发展具有重要科学意义。