桥梁结构中地聚物混凝土性能劣化机理和时变变形规律研究

Geopolymer concrete (GC) is a new type of green concrete with a good prospect, which is produced by using geopolymer as the binding material. If it could be applied widely in engineering, a large quantity of industrial waste could be used so as to reduce the carbon emissions and the consumption of natural resources and energy. To develop the geopolymer concrete accords with sustainable development strategy, embodies the coordinated development between construction and ecological environment and results in very good social and environmental benefits. At present, the research on the geopolymer concrete mainly stays in the material preparation and basic mechanics properties, while the research on its performance degradation mechanism and long-term time-dependent performance is far from adequate. The proposal takes application of geopolymer concrete in bridge engineering as the goal, intends to systematically study durability degradation failure causes and evolution law under typically individual and multi-coupled complex environments, and finally to reveal durability degradation mechanism of geopolymer concrete. Reasonable degradation damage model and damage prediction model will be set up, so as to provide the scientific basis for durability design and durability grade assessment of geopolymer concrete bridges. In addition, the long-term time-dependent deformation law of geopolymer concrete under sustained loading will be studied. The effect of strain gradient and loading age will be investigated. The visco-elastic constitutive model, the practical prediction models for shrinkage and creep will be put forward. All the results will lay the scientific theory foundation for wide use of geopolymer concrete.

地聚物混凝土是以地质聚合物为胶凝材料制备的一种具有良好使用前景的新型绿色混凝土，若能在工程中推广使用，可大量利用工业废渣，减少碳排放，减少自然资源和能源的消耗。大力发展地聚物混凝土符合可持续发展战略，体现了建筑与生态环境的协调发展，具有很好的社会效益及环境效益。目前，地聚物混凝土的研究主要停留在材料制备和基本力学性能方面，而对其性能退化机理和长期时变性能的研究远不充分。本项目以其在桥梁工程中的应用为目标，拟系统地研究典型环境单因素作用、复杂环境多因素耦合作用下地聚物混凝土的耐久性失效成因和劣化演变规律，揭示地聚物混凝土的耐久性退化机理，建立合理的劣化损伤模型和损伤预测模型，为地聚物混凝土桥梁的耐久性设计和耐久性等级评估提供科学依据；此外，研究持续荷载作用下地聚物混凝土的长期时变变形规律，考察应变梯度和加载龄期的影响，建立粘弹性本构方程、收缩和徐变实用计算模型，为其广泛应用奠定科学理论基础。

本项目系统地研究了地聚物混凝土材料的基本力学性能、耐久性能（性能劣化）和时变性能。. 对粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土，建立了抗压强度发展公式、反映早期收缩发展规律的计算表达式。采用SEM和MIP等微观测试手段分析了地聚物砂浆的微观结构和孔隙分布。获得了地聚物混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量经时变化规律。. 对无钙或低钙粉煤灰基地聚物混凝土，可通过掺加矿渣增加钙含量，从而改善抗冻性能。利用微观测试结果，包括扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线能谱（EDS）和压汞试验（MIP）。解释了不同矿渣掺量的F级粉煤灰基地聚物混凝土所表现出的抗冻能力不同的机理，并使得F级粉煤灰基地聚物混凝土的抗冻能力得到显著改善。粉煤灰基地聚物混凝土抗碳化性能随着矿渣掺量的增加而提高。提高矿渣掺量可改善地聚物混凝土的抗氯离子渗透性能。 . 在轴压荷载作用下，混凝土内部孔隙被压实，抗渗性提高。以相对动弹性模量评估，抗冻能力提升了3~5倍。在轴压荷载和冻融耦合作用下，PP纤维和PVA纤维的抗冻性改善作用优于S纤维。 . 在冻融循环与弯矩耦合作用下，弯曲荷载加速了地聚物混凝土梁的冻融损伤速率，但对OPC梁损伤速率的影响不大。. 对于地聚物混凝土而言，弯曲诱导拉伸徐变应变多数情况下远大于弯曲诱导的压缩徐变，两者之比最大可达到14。. 当压缩应力/强度比为0.5时，地聚物混凝土的比徐变有突然增大的迹象。这表明：压缩徐变的线性与非线性的分界点很可能出现在应力/强度比为0.4~0.5之间。. 地聚物混凝土早龄期拉伸徐变试验研究表明：早龄期徐变可以降低约束拉应力，提高地聚物混凝土结构的早龄期抗裂性能。本研究建议地聚物混凝土早龄期老化系数取0.8，经与其他文献结果进行对比分析，验证了本研究所提出的地聚物混凝土早龄期徐变效应分析方法的合理性。