再生混凝土氯离子扩散特性的试验与多尺度建模方法研究

Recycling waste concrete is one of the requirements of green building and sustainable development. One of important characteristics of reinforced concrete is ion transport property of concrete, which is generally investigated by chloride diffusion in concrete. The chloride diffusion in recycled concrete become complex due to the complexity of internal structure of recycled concrete, the exact mechanism of which is unknown so far. Therefore, it’s necessary to take recycled concrete as non- homogeneous materials including various ‘phases’ in different scales. Some basic laws of chloride diffusion in recycled concrete have been obtained by modelization in previous study of applicant. In this project, some parameters related to chloride diffusion in recycled concrete will be obtained by test, and the distribution character of each phase in recycled concrete will be established by image processing; then the multiscale model of recycled concrete including various phases in microscope, meso-scope and microscope will be established, the influence of chloride binding, time variation and temperature variation on chloride diffusion process will be considered as well; furthermore, through the application of Monte Carlo method and probability density evolution method, the influence laws of probability distribution of internal phase on chloride diffusion in recycled concrete will be obtained; finally, the mechanism of chloride diffusion in recycled concrete will be summarized. The project will provide theoretical support and scientific basis for the durability design of recycled concrete based on material properties.

废混凝土的再生利用是绿色建筑和可持续发展的要求之一。混凝土离子传输性是其耐久性的重要特征，通过氯离子扩散研究混凝土离子传输性是一项重要手段。已知再生混凝土内部结构复杂性导致其氯离子扩散过程复杂，但具体机制不明，为此有必要将再生混凝土看作由不同尺度下不同“相”构成的非均质材料。申请者前期研究已通过模型化得出再生混凝土氯离子扩散的一些基本规律。本项目中，首先通过实验和图像处理获取再生混凝土氯离子扩散的相关参数和各相分布特征；然后在宏观、细观和微观上，建立包含不同相的多尺度模型，并考虑氯离子扩散过程中的氯离子结合、时变和温度的影响；最后提炼总结再生混凝土氯离子扩散机理。本项目实施将为氯盐环境下基于材料性能的再生混凝土耐久性设计提供理论支持和科学依据。

本项目基于我国建筑垃圾资源化和发展循环经济的背景，以再生混凝土耐久性为重点，开展了再生混凝土氯离子扩散理论模型和试验的相关研究。本项目中，将再生混凝土分为新砂浆、老砂浆、原始天然骨料等不同相，构建了涉及微观、细观和宏观三个层次的再生氯离子扩散系数多尺度理论模型。通过概率密度演化方法，建立了再生混凝土氯离子扩散系数概率分布与其老砂浆含量和氯离子扩散系数概率分布的理论关系式。通过再生混凝土氯离子扩散系数试验和再生骨料性能统计分析，确立了概率密度函数韦布尔和卡方比较适合再生混凝土附着老砂浆含量的概率密度分布，进而通过概率密度演化方法获取了再生混凝土氯离子扩散系数的概率分布，并为一定保证率下再生混凝土耐久性设计提供理论支持。面临再生混凝土性能普遍弱于天然骨料混凝土的特点，分别采用CO2、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛强化再生混凝土，结果显示：CO2强化改变了再生骨料的孔隙结构，更密实的孔隙结构进一步阻碍了再生混凝土氯离子扩散，并使得再生混凝土强度得到提高；合适掺量的纳米二氧化硅和纳米二氧化钛均可以增强再生混凝土，它们降低了再生混凝土的总孔隙率，改善了再生混凝土的孔隙结构分布，减少了其有害孔，增加了其无害孔，进而阻碍氯离子在再生混凝土内部扩散。根据再生混凝土强化试验，进一步建立了考虑微观孔隙结构的再生混凝土多尺度理论模型，通过新砂浆和老砂浆微观孔隙结构的改变定量得出了再生混凝土氯离子扩散系数的改变，进而为通过再生混凝土配合比和骨料性能预测再生混凝土的氯离子扩散系数提供理论依据。通过理论变参数分析发现：对于模型给定的参数，再生骨料体积分数越大，且老砂浆附着率越小，再生混凝土的氯离子扩散系数越小；新砂浆毛细孔隙率的变化对再生混凝土氯离子扩散系数的影响较大。另外，设计了再生混凝土异形柱等构件，这将有利于再生混凝土在建筑结构和桥梁结构中的推广应用。