纳米混凝土氯离子扩散特性与预测方法

Considering the demand for high durability concrete of infrastructures, this project will develop a high-performance nanoconcrete and study the chloride diffusion characteristics, mechanism and prediction method of this concrete under effect of scouring. First, this project will study a high-performance nanoconcrete by taking the advantage of space structure of T-ZnO, explore the mechanism of the improvement in mechanical and durable properties of this concrete. Second, this project will study the chloride diffusion properties of and its prediction model, set up a numerical calculation method for diffusion coefficient through the simulation of effective diffusion path network. Third, this project will study the scouring abrasive properties of nanoconcrete and the characterization method for the abrasive surface morphology, develop a numerical simulation method for the evolution of the abrasive surface, set up a prediction model for the abrasive depth. Finally, this project will study the chloride diffusion characteristics in nanoconcrete under effect of scouring and set up a numerical calculation method, develop a prediction model for the chloride diffusion in nanoconcrete under effect of scouring. The achievements of this project will impact the development of concrete, and provide a theoretical approach for the study of steel bar erosion prediction, durability analysis and life-cycle design of concrete structure.

面向重大土木工程建设对高耐久性混凝土的需求，研究高性能纳米混凝土及其氯离子扩散特性与改性机理，并针对冲刷与氯离子侵蚀共同作用服役环境，研究其冲刷作用下氯离子扩散规律、机理和预测方法。首先，利用四足氧化锌空间结构特征，研究四足氧化锌和纳米TiO2复掺的纳米混凝土制备工艺、配合比与力学性能；其次，研究纳米混凝土氯离子扩散特性及基于有效扩散通道模拟的扩散系数计算方法，提出其改性机理及评价方法；再次，研究纳米混凝土冲刷磨蚀特性和磨蚀面形貌演化模拟方法，建立磨蚀深度预测模型；最后，研究纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散特性及其加速试验匹配准则，建立纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散数值计算方法，发展纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散预测模型，考察纳米混凝土对钢筋锈蚀的防护作用。本项目研究将丰富和发展混凝土科学，并为纳米混凝土结构钢筋锈蚀预测、耐久性分析和全寿命设计理论奠定基础，具有重要的科学意义和实用价值。

本项目面向长寿命土木工程结构的材料科学问题，充分利用纳米材料和增强纤维的纳/微多尺度效应和空间结构特征，研究纳米混凝土力学与耐久性及其机理。主要包括纳米混凝土的制备方法、配合比、基本物理力学性能,纳米混凝土氯离子扩散特性与机制的基础理论，针对冲刷与氯离子侵蚀共同作用服役环境的纳米混凝土冲刷磨蚀特性、冲刷作用下氯离子扩散规律及其机理和预测模型。. 通过本项目研究，（1）得到了纳米混凝土的基本力学性能及其影响因素，揭示了纳米材料对混凝土微观结构及其宏观性能的调控机制，发现了纳米材料对水泥水化产物扩散的驱动作用可以使水化产物分布更为均匀，晶体纳米材料对C-S-H凝胶具有很强的结晶化作用，纳米材料邻近区域存在明显共晶区，分析了纳米材料对混凝土微观结构调控机制与机理；确定了纳米材料优化掺量和制备工艺。（2）得到了纳米混凝土氯离子扩散特性及其影响因素，发现了纳米材料改性效应随水灰比减小而增大的特征；建立了纳米砂浆、混凝土、粗骨料界面区的氯离子扩散系数、孔隙特征与水灰比之间的关系；发展了基于配合比的砂浆和混凝土扩散系数数值计算方法。（3）得到了纳米混凝土冲刷磨蚀特性及其影响因素；确定了冲刷和氯离子渗透同步加速实验的冲刷速度和温度相似比关系，发现了冲刷和氯离子侵蚀的耦合加速劣化作用与规律；通过分子动力学模拟研究水压对不同尺寸孔隙流通性和临界有效孔径的影响规律，得到了不同水压下的扩散系数；建立了基于动态扩散边界和扩散系数的冲刷作用下纳米混凝土氯离子扩散分布数值计算方法。. 本项目研究将丰富和发展混凝土科学及其耐久性理论，为土木工程结构全寿命设计理论的发展提供高性能材料及其理论模型。