生态纳米超高延性水泥基复合材料的设计理论与关键技术

This project aims to put forward a new design theory, to reveal multiscale mechanism and to evaluate the key performance of ultra-high ductility cementitious composites modified by ecological nanomaterials (ECO-Nano UHDCC). It could be make out through stable dispersion processing and reactivity regulating the eco-nanomaterials which exist in the bulk of industrial solid waste. The special effects and multiscale mechanisms of eco-nanomaterials could be recovered by some advanced testing techniques. A key index system could be determined by the Cluster Analysis based on the test results of physical, mechanical, deformational and durability of ECO-Nano UHDCC. Based on nano-materials science,micro-mechanics, mechanics of porous media and multiscale damage theory, a new design theory of ECO-Nano UHDCC could be established. By revising three kinds of numerical models, the temporal variations in multiscale structures can be quantitatively characterized. In addition, the rationality and reliability of the design theory could be judged through experimental and modeling results.

本项目旨在提出生态纳米超高延性水泥基复合材料的设计新理论、揭示生态纳米材料的效用与多尺度作用机理、系统研究生态纳米超高性能水泥基材料在服役环境下的关键性能。通过再生利用工业固体废物中的纳米物质，对其进行分散、稳定处理和反应活性调控，制备具有低收缩和高耐久的生态纳米超高延性水泥基复合材料；采用多种纳微观测试技术，揭示其所具有的特殊效用和多尺度作用机理；系统研究该材料在荷载和环境因素作用下的物理、力学、变形和耐久性，并基于聚类分析法，确定生态纳米水泥基复合材料的关键指标体系；基于纳米材料学、微观力学、多孔介质力学和多尺度损伤理论，建立该复合材料的设计新理论；采用三种数值模型模拟和评价水泥基复合材料的多尺度结构特性时变规律，并结合试验研究对该设计新理论的合理性和可靠性进行验证。为建立可靠的多尺度调控机制，促进其向生态化、纳米化和超高性能发展，提供新材料、新技术和新理论，具有重要的理论和应用价值。

基于自然资源约束日趋强化、环境污染严重、废弃物排放量与其再生利用率极度不对称的现状，急需高节能再生资源材料。同时，既有工程修补、抗震加固和严酷环境下长寿命工程结构均对混凝土材料提出了超高延性的特殊要求。本项目同时满足这两方面需求，成功完成了生态纳米材料制备以及生态纳米超高延性水泥基复合材料ECO-HDCC的设计理论、关键性能、性能调控机制与机理研究。. 通过再生利用工业固废物中的微纳颗粒，对其进行表面改性和反应活性调控，在高碱度模拟混凝土孔溶液中均匀稳定分散，制备出生态纳米材料；采用生态纳米材料和硅酸盐水泥作为胶凝材料、河砂或固废物作集料、国产PVA纤维作耗能组分，科学制备出具有低收缩和高耐久的ECO-HDCC；系统探明了ECO-HDCC在常温条件下的流变学、纤维分散度、力学、变形、耐久性、抗冲磨性能和抗高速冲击压缩性能，及其在低温和高温条件下的微观力学和宏观力学性能，并明确提出控制其延性的关键指标体系；采用多种纳微观测试分析技术，揭示了生态纳米材料的特殊效用和多尺度作用机理；通过定义三个新的物理力学参数，代入微观力学和宏观本构关系中，建立了ECO-HDCC在常温和变温条件下的设计新理论；采用改进的lattice model模拟ECO-HDCC在荷载下的细观结构损伤，并结合试验结果对上述设计新理论的合理性和可靠性进行了验证。. 这为建立可靠的ECO-HDCC制备与多尺度调控机制，促进其向生态化、纳米化和超高性能发展，提供了新材料、新技术和新理论，具有重要的理论意义和应用价值。. 经过四年努力，已顺利圆满地完成了研究任务，达到了预期研究目标，取得了丰硕的研究成果：发表文章33篇，其中SCI收录7篇、EI收录12篇；授权国家发明专利9项；参编建材行业规程1部；培养研究生5名。