再生混凝土介质传输机理及其分子动力学模拟

Performance degradation of recycled aggregate concrete is mainly caused by the multiple interfaces which have weak structures and high porosity. The multiple interfaces not only affect the mechanical properties of recycled aggregate concrete, but also play a key role for mass transportation. The project investigates first into structure of the multiple interfaces in recycled concrete produced with different quality of recycled aggregates. A method to evaluate the microscopic structures of the interfaces will be proposed, considering the influence of water-binder ratio, age and curing methods. The influence of multiple interfaces on water and chloride transportation in recycled concrete will be investigated in particular. A proper loading test device will be designed and prepared. Neutron imaging will be applied to study the process of water transportation in recycled concrete under a certain level of loading in a visible way. The aim is to reveal the interrelationships among the level of sustained load, the consequent damage and mass transportation. The spatial distributions of water and chloride in recycled concrete will be investigated quantitatively. The relationship between water and chloride transportation in cement-based materials will be further studied. Based on the theory of quantum mechanics, the reaction force field model will be established. Using molecular dynamics, the transportation of both water and chloride ions in recycled concrete will be simulated. This project provides new ideas and techniques to study the durability of recycled aggregate concrete. The obtained results will be helpful to better understand and improve the basic theory of durability of recycled aggregate concrete.

再生混凝土的性能劣化主要由结构疏松且孔隙率较大的多重界面所致。多重界面不仅影响再生混凝土的力学性能，更是决定其介质传输性能的关键。本项目从不同品质再生混凝土的多重界面入手，考虑水胶比、龄期、养护方式等多种因素影响，提出并完善再生混凝土多重界面微观结构评价方法，揭示多重界面对再生混凝土介质传输的影响规律；设计加载装置，应用中子成像，实现对不同水平荷载损伤再生混凝土中介质传输的可视化动态追踪，揭示荷载水平—界面损伤—介质传输之间的关联规律；结合常规和先进测试技术，定量表征再生混凝土中的介质空间分布，研究揭示水分和氯离子在多孔胶凝体系中的非同步传输机理；基于量子力学理论建立反应力场模型，利用分子动力学模拟再生混凝土中的水分和氯离子传输行为。为再生混凝土的耐久性研究提供新的研究思路和方法，对深入理解和完善再生混凝土的耐久性基础理论具有重要意义。

利用废弃混凝土制备再生集料来生产再生混凝土是固体废弃物资源化利用的重要方式，对减少环境污染、发展绿色建材和“双碳”目标具有重要意义。与天然集料相比，再生集料表层的残余砂浆造成内部复杂的多重界面结构，使得再生混凝土耐久性问题突出，而劣化主要与水及其有害介质的侵蚀密切相关。因此，研究再生集料混凝土中介质传输规律，对更好地理解再生混凝土耐久性劣化机制和完善耐久性评估理论具有重要意义。. 本项目结合常规和先进试验技术、机理分析、理论推导和仿真分析等研究方法，（1）系统研究了再生集料混凝土介质传输性能，定量表征了再生集料混凝土内水分和氯离子含量空间分布，揭示了水分与氯离子传输的非同步机理及其相互关联机制；（2）揭示了不同品质再生集料对混凝土多重界面微观结构的影响机理，完善了界面微观结构评价方法，阐明了氯盐侵蚀环境下再生混凝土多重界面性能劣化机理；（3）揭示了再生混凝土荷载损伤—多重界面结构—介质传输性能之间的相互影响机理，建立了荷载损伤再生混凝土水分和氯离子传输本构模型；（4）构建了再生混凝土二维的细观非均质模型，实现了再生混凝土中水分和氯离子在基体和多重界面区传输的数值模拟。本项目为深入研究再生混凝土结构耐久性评价与寿命预测分析提供理论参考，对推动再生混凝土的实际应用具有一定指导意义。. 本项目经历四年研究，完成了计划书中的各项任务，取得了预期的研究成果。共计发表标注资助学术论文34篇，其中SCI收录论文26篇，EI收录论文6篇；申请国际PCT专利3项，授权专利5项、软件著作权3项；24人次参加了本领域内的国内国际学术会议，并作相关主题的会议报告进行学术交流。培养硕士研究生5名，其中2名研究生均获得国家奖学金。研究成果获得2020年山东省科技进步二等奖1项、2019年度中国建筑材料联合会-中国硅酸盐学会建筑材料科学技术二等奖1项；项目负责人获青岛市拔尖人才、青岛市青年科技奖等荣誉称号。