改性碳纤维-纳米材料协同高强高韧性混凝土研究

Considering the increasing demand for ultra high-performance concrete by infrastructures, this project will study the method to develop high-strength and high-ductility concrete. The main approaches to improve the properties of concrete are modifying the microstructure and utilizing reinforcing additives such as carbon fiber. By taking advantage of the nano-scale of nanomaterials, this project will study its effect on the hydration products growth and distributuon during hydration process, and explores the modification mechanism of nanomaterials on the microstruction of cement paste. On the other hand, this project will study the method to growth pozzolanic nanomaterials on the surface of carbon fiber, and improve its interfacial bonding strength. Then, the coupling effect of the improved interfacial bonding strength, critical failure length, addition on the mechanical properties and work abilities will be studied. Combied using modified carbon fiber and nanometerials, this project will study the multi-scale reinforcing network on the crack propagation in cement paste and mortar. At last, this project will study the mechanical properties and models of modified carbon fiber-nanomaterials reinforced concrete. The achievements of this project will provide a new approch to realize high-strenth and high-ductility, has broad impact on the development of concrete and structures.

面向重大工程结构对超高性能混凝土需求，研究常规施工与养护条件下高强高韧性混凝土关键方法与技术。混凝土改性的本质途径是微观结构调控和纤维等增强增韧相高效利用。本项目首先借助纳米材料可介入水泥之间微纳尺度区域的优势，研究其纳尺度效应对水化产物生长和分布的影响特性，揭示其对水泥石微观结构和力学性能的调控机制；其次，研究碳纤维表面活性纳米层改性方法及其“水化膨胀”效应对界面强度的增强规律，研究高界面强度对碳纤维临界失效长度、掺量、水泥石（砂浆）力学性能和工作性耦合改善机制，确定纤维增强网络优化拓扑结构，进而研究改性碳纤维-纳米材料协同水泥石（砂浆）裂纹发展特性与力学性能；最后，研究改性碳纤维-纳米材料协同高强高韧性混凝土的力学性能、本构关系及其配合比设计方法。本项目研究将形成基于改性碳纤维-纳米材料多尺度空间网络协同机制的混凝土微-纳结构调控方法和改性理论，提供高强高韧性混凝土新技术。

面向水泥基材料性能提升的关键科学问题，充分利用纳米材料和增强纤维的纳/微多尺度效应，研究纤维-纳米协同改性混凝土高强高韧性特征及其机制。主要包括纳米改性水泥基材料的微观结构调控效应及高强高韧性特征；改性纤维-纳米材料协同增强水泥基材料耐久性能与模型；改性纤维-纳米材料协同增强水泥基材料的力学性能提升效应及机理。本项目研究将丰富和发展混凝土科学及其性能提升方法。主要包括以下三个方面：（1）纳米增强水泥基材料改性机制与效应：研究了不同纳米材料对水泥水化产物形态、结晶度和分散均匀度的影响特性和表征方法，分析了纳米材料对混凝土微观结构调控机制与机理；研究了纳米增强水泥基材料的拉压强度与变形性能，得到了纳米高强混凝土的高延性特征与断裂韧性提高规律。（2）改性纤维-纳米材料协同增强水泥基材料耐久性能与机制：研究了纳米材料对混凝土抗渗性的提升效应与机制。通过背散射和核密度估计等方法观测并分析了混凝土基体和骨料界面区微观结构的变化规律。基于递推矩阵方法构建了纳米改性混凝土的渗透模型，研究了可渗透单元减少导致的渗透概率变化规律，揭示了纳米材料对混凝土抗渗性的改性机理。研究了纳米材料对碳纤维混凝土抗渗性的提升效应与机制。纳米材料可以显著改善碳纤维在混凝土中的分散均匀性，有效降低了碳纤维混凝土的临界孔径与渗透性。（3）改性纤维-纳米材料协同增强水泥基材料力学性能与模型：研究了纤维表面纳米SiO2改性方法，确定了纤维表面改性层形貌与优化制备方法，研究了纤维表面纳米改性层与水泥的反应特性；研究了改性纤维单丝拔出全过程力学行为，分析了纤维拔出曲线特征与影响因素，确定了界面性能的关键参数，发现改性纤维的界面强度可提高3倍以上；研究了改性纤维-纳米协同增强水泥基材料的高强高韧性特征及优化机理，研究了改性纤维-纳米材料协同增强水泥基材料的疲劳性能及关键参数的演化规律，建立了疲劳寿命模型。