水工混凝土纳米粒子结构参数多样性研究及性能调控

The morden concrete for hydraulic structural use is facing challenge because of the high demand for design performance,the severe working conditions and the complicated material systems. The empirical or semi-empirical based classical design approaches appear to be insufficient to solve the problems. This research project is to use advanced analytical tools and molecular dynamic simulation to study nano-scale C-S-H fundamental structure and the influence of materials systems, curing temperature, hydration age, service conditions on the formation and stabiility of C-S-H gel. The advanced analytical tools such as solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), photoelectron spectroscopy (XPS), time-of-flight mass spectrometry (ToF-SIMS) and atomic force microscopy (AFM) will be employed to characterize C-S-H surface cohesion and particulate interaction, to examine the growth of C-S-H cluster and the kinetics of it related reaction, and to design nano-scale microstructure for optimized performance.At the same time, the micro-imaging together with Matab and COMSOL will be used to study the role of water in particulate dynamic behavior of C-S-H formation and to understand the macroscopic cracking mechanism . Based on the C-S-H fundemantal theory developed in this project, the proposed research will lead to an innovative material design approach which will serve as a guideline for hydraulic structural concrete formulation, an efficient use of mineral admixtures for performance enhancement and a theoretical guidance for carbon foot reduction.

日趋复杂的胶凝材料体系与严酷的服役环境对现代水工混凝土提出了更高的性能设计要求，传统经验/半经验设计方法已凸显出其瓶颈；深刻认识并从混凝土最主要水化产物水化硅酸钙(C-S-H)获取调控信息是解决这一问题的关键。本项目从C-S-H基本结构出发，采用高精度物相结构综合分析技术和基于自由体系的分子动力学模拟，研究不同胶凝材料体系、温度、龄期及服役环境下C-S-H组成与结构稳定性；采用XPS和ToF-SIMS联动、AFM等手段研究C-S-H粒子表面特性和颗粒间相互作用，揭示C-S-H粒子簇生长动力特性与规律，发现纳米尺度上结构与性能调控的关键信息；同时，采用微观成像与Matlab、Comsol软件研究分析水在C-S-H粒子中的动力学特性，为从本质认识混凝土收缩开裂机制提供定量描述；最后，尝试多种基于C-S-H结构特征信息的混凝土性能调控方法，为减少混凝土碳足迹和提升混凝土性能提供理论指导。

日趋复杂的胶凝材料体系与严酷的服役环境对现代水工混凝土提出了更高的要求，传统的经验/半经验设计方法已凸显瓶颈。本项目研究主要涵盖了C-S-H组成与结构的稳定性、C-S-H粒子表面特性与颗粒间的相互作用、水在C-S-H粒子中的动力学特征与基于C-S-H结构特征信息的混凝土性能调控四个关键问题。在原计划的基础上，改进了水化进程测试方法、提出了C-S-H微结构增强技术并开展了基于C-S-H凝胶微结构分析的混凝土耐久性评价等方面的探讨。基于连续介质假定，建立了纳观尺度上C-S-H凝胶颗粒间水输移特性的研究方法。从水化动力学的角度，分析了水泥基材料的水化行为，探索了矿物外加剂存在的情况下，复合胶凝材料体系水化特性表征方法；借助AFM、NMR技术，得到了矿物外加剂对C-S-H凝胶中Si-O键聚合程度、Al取代以及水泥净浆水化进程的影响；在碱含量与类型对水泥水化进程、产物堆聚形态、C-S-H凝胶聚合程度以及Al相水化产物的稳定性和相变进程等方面，也进行了系统的试验与探讨，得出碱会降低了C-S-H凝胶纳米颗粒簇间的粘结力，影响水泥石体积稳定性，且K+更容易促进C-S-H凝胶中HD组分的生成，增加“开裂”风险等结论；采用非接触式阻抗技术和动/静态流变技术等方法，对C-S-H生长过程中的纳微观环境进行评价，获得了水化早期的孔结构参数、流变性能参数等评价指标；在此基础上，通过研发新型的熟料矿物相制备技术、采用早期碳化养护、添加改性吸水树脂增强等方法，实现了C-S-H微结构和性能的调控与设计。最后，利用对C-S-H凝胶微结构和性能的分析，评价了水泥基材料的耐久性，基本建立了宏观性能与C-S-H微观结构之间的联系。本项目的研究成果将为改善严酷服役环境下混凝土的耐久性提供理论基础与应用支持。本项目超额完成任务，共发表相关学术论文20篇，其中SCI/EI论文19篇，核心期刊1篇，另外，参加国际/国内会议5次，发表论文5篇。获得国家发明专利6项。培养博士研究生3名，硕士研究生4名。