混凝土气泡-气孔结构协同优化设计理论及其调控方法研究

Air entraining technology is an effective method to develop the workability and durability of high performance concrete which at the same time will reduce the strength and make the workability unstable, which is the technical bottleneck of air entraining technology. The key reason for that is lack of scientific method for the optimization theory and controlling methods of the concrete bubble (pore) structure in the overall process. This research focuses on the scientific problem of the intrinsic relationship between the parameter of the bubble (pore) structure and the performance of concrete which includes the workability and mechanical behavior. The discipline of the dynamic process of bubble's forming, meeting and parting, moving, cracking, transforming into pore is studied through the method of cluster analysis. Quantitative stereology and image analysis technology are used in analyzing the diameter, size grading, bubble strength, spatial distribution and other corresponding parameters of the bubble (pore) structure. The association analysis is used to reveal the intrinsic discipline and relationship between the parameter of bubble (pore) structure and the performance of concrete which includes the workability and mechanical behavior, and trying to create the optimization designing theory of the concrete bubble －pore structure in the overall process. The new controlling methods of the concrete bubble －pore　structure can be worked out through this study. This research will provide scientific theory and method for air entraining technology of high performance concrete.

引气技术是改善高性能混凝土和易性和耐久性的有效技术途径，但存在应用技术瓶颈：引气会导致混凝土强度显著降低且工作性不稳定。其关键原因是：对混凝土气泡（孔）结构缺乏全过程统筹优化设计理念和调控的科学方法。本研究聚焦于气泡（孔）结构参数与混凝土和易性和力学行为内在关系这一科学问题，通过聚类分析研究气泡（孔）在混凝土中成泡、聚散、迁移、破灭、成孔的动态过程规律，采用定量体视学图像分析等手段定量分析不同特性混凝土塑性和硬化阶段全过程气泡（孔）直径、尺寸级配、气泡强度、空间分布等结构参数，通过关联分析揭示气泡（孔）结构参数与塑性混凝土流变性以及硬化混凝土力学行为的内在关系规律，拟创建混凝土全过程气泡-气孔结构协同优化设计理论，并通过实验研究总结出协同调控混凝土全过程气泡－气孔结构参数的科学方法。为高性能混凝土引气技术应用提供科学理论和方法指导。

引气技术是改善高性能混凝土和易性和耐久性的有效技术途径，但存在应用技术瓶颈：引气会导致混凝土强度显著降低且工作性不稳定。其关键原因是：对混凝土气泡（孔）结构缺乏全过程统筹优化设计理念和调控的科学方法。.本项目聚焦于气泡（孔）结构对混凝土流变性和强度的影响规律，以新拌阶段气泡与硬化阶段气孔结构参数的关联性为纽带，将气泡结构参数与流变性关系模型和气孔结构参数与强度关系模型组合，建立混凝土气泡（孔）优化设计理论，确定优化设计的关键参数，提出混凝土气泡（孔）结构调控方法，主要研究成果如下：.（1）混凝土气泡结构与流变性关系模型.混凝土气泡结构与屈服应力的关系模型为：. σ=σ0×(1.00-6.17X1-5.66X2+31.57X3).适用于引气混凝土的坍落度预测公式：. L=0.3W0-K+(4.34+96.61X1-10.82X2-165.21X3).其中，L和σ分别为为混凝土坍落度和屈服应力，L0和σ0分别为新拌混凝土含气量为零时的坍落度和屈服应力， X1、X2、X3分别是孔径范围为10-600μm、600-1200μm、1200-1600μm时含气量，W0为每1m3混凝土用水量，K为回归系数。.（2）混凝土气孔结构与强度关系模型.适用于引气混凝土的鲍罗米公式：. fcu,o=αa×fce(c/w-αb)-(0.02Prm+2.86).其中， fcu,o为混凝土配制强度，fce为水泥28天实测强度，αa、αb为回归系数，c/w为灰水比，P为硬化混凝土总含气量，rm为混凝土平均孔径。.（3）混凝土气泡（孔）结构调控方法.通过低聚糖类（H）及醚类（M）外加剂来调节混凝土内部的气泡（孔）结构，发现随调控组分H、M掺量的增加，混凝土气泡（孔）结构得到改善，其平均孔径逐渐减小。.（4）混凝土气泡（孔）结构协同研究及优化设计理论.新拌混凝土与硬化混凝土总含气量关系模型为：. P=0.95P0-0.60.新拌混凝土与硬化混凝土平均孔径关系模型为：.rm=1.00rm0-8.84.其中，P和P0分别为硬化和新拌混凝土总含气量， rm和rm0分别为硬化和新拌混凝土平均孔径。.混凝土从新拌气泡分布到硬化气孔分布，其特征孔径变小，均匀性系数变大。通过协同效果分析，气泡（孔）结构可同时兼顾混凝土流变性和强度。