基于微观结构调控的低收缩高徐变抗裂混凝土设计

Nowadays, with the developed knowledge of concrete durability theories, researchers found that improving the crack resistance of concrete structures is more important than increasing the anti-permeability. With different W/B ratios, study the interactions and influences of the grain composition of binder materials as well as cement content on the interface properties, porosity and pore size distribution of hardened pastes to fabricate the so-called durability-friendly hardened pastes with a broad spectrum of micro-damages. Investigate the effects of such characteristic parameters as hardness matching and grain composition of binder materials, cement content, B/W ratio, ITZ, porosity and pore size distribution on the shrinkage and creep properties of hardened pastes; and further build up the qualitative and qualitative relationships between the shrinkage and creep properties of hardened pastes with the aforementioned characteristic parameters. Find the appropriate ranges of the characteristic parameters to achieve the requirements of hardened concrete with low shrinkage and high creep properties. Utilize the orthogonal experiments and reinforced structural tests to study the influences of the characteristic parameters on the crack resistance of hardened pastes and finally find a design approach to improve the crack resistance of concrete by optimizing the interactions between low shrinkage and high creep. Without the help of fibers and expanding agents, maximize the mechanical properties of the cement matrix to improve the crack resistance of hardened concrete so that this design approach can contribute to both the durability theories of concrete structures and the practical engineering.

随着对混凝土耐久性认识的不断深入，人们认识到提高结构混凝土抗裂性比提高材料抗渗性更有意义。研究不同水胶比条件下，胶凝材料颗粒级配和水泥用量对矿物掺合料与基体界面结合、硬化净浆孔隙率及孔径分布的影响，制备出不影响耐久性的广谱微观损伤的硬化浆体。研究胶凝材料体系的硬度匹配、胶凝材料颗粒级配、水泥用量、水胶比、界面结合情况、孔隙率及孔径分布等特征参数对硬化净浆收缩与拉伸徐变的影响，建立上述特征参数对硬化浆体收缩与拉伸徐变影响的定性与定量关系。确定同时满足硬化浆体低收缩高徐变的特征参数范围，应用正交试验研究特征参数对混凝土收缩和拉伸徐变的影响，并通过钢筋混凝土构件验证其抗裂性，形成利用低收缩和高徐变的协同效应提高混凝土的抗裂性能的设计方法。在不使用工程纤维和膨胀剂前提下，挖掘水泥基材料自身特性，从提高混凝土抗裂性出发提升结构混凝土耐久性，不仅能丰富混凝土耐久性理论，而且对实际工程具有指导意义。

开裂已成为影响混凝土耐久性的重要因素，本项目从水泥基材料低收缩高徐变的设计思路出发，降低开裂，提高混凝土耐久性。1) 低收缩高徐变水泥基材料设计思路研究。研究发现矿物掺合料和工程纤维能增加微界面，弱界面使混凝土徐变增大，因此可采用大掺量矿物掺合料弱化胶凝材料的界面实现高徐变特性。水的迁移引起混凝土收缩，从胶凝材料颗粒匹配入手进行堆积优化，达到减少用水量，以实现低收缩性能。2) 低收缩高徐变水泥基材料设计。对大掺量矿物掺合料胶凝材料的物理匹配（颗粒填充）和化学活性匹配进行设计，对比其收缩徐变性能，成功制备出了低收缩高徐变的水泥石和水泥砂浆。研究发现：低水胶比大掺量矿物掺合料是实现低收缩高徐变的前提，矿物掺合料的颗粒级配越好，越容易实现该效果；粗颗粒活性高、细颗粒活性低时，更容易实现低收缩高徐变特征。3) 收缩徐变相关试验方法研究。水泥基材料早期的弹性模量、收缩徐变对混凝土开裂影响最大，但缺少相关测试方法，本项目提出了一种水泥基材料全龄期收缩测试方法，即能够评价早期的全收缩，又能够评价后期的干燥收缩；提出了一种测试水泥基材料超早期弹性模量的压入法；提出了一种用于对比分析水泥基材料超早期拉伸徐变的测试方法；提出了一种测试水泥基材料早期开裂的试验方法。4) 低收缩高徐变混凝土耐久性验证。应用振动台制造微损伤，研究了受损混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，结果表明一定程度内的扰动损伤不会影响混凝土抗硫酸盐腐蚀性能；对大掺量粉煤灰混凝土进行了快速碳化试验，研究发现：低水胶比是保证大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能的关键，长龄期湿养护则是有益补充。这说明低收缩高徐变的设计思路能够保障混凝土耐久性能。对低收缩高徐变混凝土进行抗开裂和硫酸盐腐蚀试验，低收缩高徐变配合比表现出开裂时间延长、抗硫酸盐腐蚀性能更强的特点。本项目在水泥基材料收缩和徐变理论方面进行了有益探索，对工程中减小混凝土开裂提供了一种新思路。