苝四甲酸酐诱导调控水泥浆体微结构形成机理研究

Concrete in harsh environment should have high toughness, impermeability and corrosion resistance. Because of its highly conjugated fused ring plane structure, 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic acid anhydride (PAT) have high activity sites at both ends in alkaline environment, and can bond chemically with cement hydration products. It is helpful to optimize concrete micro structure and improve the concrete impermeability and toughness. So it will be introduced into concrete in this project to increase concrete performance. Firstly, chemical bonding between PAT and Gel C-S-H will be discussed by experiments, first principles and molecular dynamics simulations, which helpful to understand the effect of high activity sites and highly conjugated fused ring plane structure on the Gel C-S-H formation and its thermodynamics stability. Then, the adjustment of pore structure for cementitious paste will be investigated to reveal the improvement effect on its impermeability by PAT. Finally, the correlation models between the PAT regulated concrete micro structure and concrete macro properties will be established on the basis of the induced mechanism of concrete impermeability and toughness by PAT. This research can provide reference for the long-life concrete application in the harsh environment.

严酷环境下混凝土材料的应用对混凝土的韧性、抗渗性以及耐腐蚀性提出了更高的要求。由于苝四甲酸酐（PAT）分子结构具有高度共轭稠环平面结构，且两端在碱性环境下呈现高活性位点，能与水泥水化产物键合连接，形成有机增韧、栓塞堵孔的优化混凝土微结构。项目拟将其引入混凝土，通过实验结合第一性原理及分子动力学方法模拟研究水泥基胶凝体系中PAT与C-S-H凝胶的化学键合作用，探明PAT的活性位点以及共轭稠环结构对C-S-H凝胶的微结构以及其热力学稳定性的影响机制；研究PAT形成的类羧酸钙物质对水泥胶凝浆体孔结构的改善作用，揭示PAT对水泥胶凝浆体抗渗改善机理，探明PAT对混凝土的抗渗、增韧机理，建立PAT调控混凝土微结构与宏观性能相关性模型，为严酷环境下长寿命混凝土的设计与制备提供指导。

随着国家对西部、海洋的大力开发，西部、海洋等严酷的环境对混凝土的 耐久性，例如抗渗、韧性以及耐腐蚀性等方面，提出了更高的要求。本项目利用苝四甲酸酐（PAT）分子结构高度共轭稠环的平面结构，且两端在碱性环境下呈现高活性位点，能与水泥水化产物键合连接的特点，研究了PAT对水泥浆体中水化产物生长行为以及结构的影响，发现PAT对水泥工作性能影响较大，通过PAT钙化反应后能够很好解决这一问题，并在混凝土中形成纳米栓塞效应，提高混凝土的抗渗性。项目还研究了PAT与内养护剂对蒸养混凝土的双重作用。内养护剂能够有效促进蒸养混凝土中未水化水泥的水化，提升水化程度，从根本上激发了蒸养混凝土自身的修复能力，增加了基体的密实性，改善孔隙结构，而PAT的纳米栓塞效果，能更好的改善混凝土的空隙结构。随着龄期的增长，内养护蒸养混凝土的强度持续增加，以毛细吸水率及氯离子渗透系数表征蒸养混凝土的抗渗性能有效提升，体积稳定性更好。在探明内养护对蒸养混凝土热损伤改善的机理及性能研究的基础上，将内养护技术用于深茂铁路小鸟天堂段高强高韧性超薄混凝土声屏障材料设计中。