可持续混凝土早龄期和长期性能的多尺度表征与演化机理研究

It is beneficial and imperative to reuse waste concrete which results in environmental pollution and vast resource extravagance, and an atomic polymer technology (APT) is proposed to improve the performance of recycled concrete. The overall goal of this proposal is to develop a combined theoretical, numerical and experimental characterization technique to assess the performance and predict the service-life of sustainable concrete and common concrete, and study the evolving mechanism of its mechanical properties：(1) to develop surface preparation techniques for nanoindentation test for concrete, and characterize the micro- and nano-scale properties of concrete phase using various measuring and testing technique；(2) to develop a multiscale microstructural model and upscaling scheme for properties of concrete, develop an efficient and robust multiscale model for modulus of elasticity and strength, verify the proposed micro-mechanics model and macro scale simulation, and propose a reliable probabilistic durability models for service-life prediction of concrete structures, and better understand the evolving mechanism of concrete performance.

废弃的混凝土造成了严重的环境污染和巨大的资源浪费，对废弃混凝土进行再利用是有益和必要的。该研究将利用原子聚合物技术来提高再生混凝土的各项性能。该研究的总体目标是发展理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，预测普通混凝土和再生混凝土的早龄期和长期耐久性能，探究其力学性能演化机理：（1）首先开发混凝土表面的制备技术，然后利用各种观测技术表征混凝土相的微观和细观的特性；（2）建立一个多尺度微观力学模型和早龄期混凝土弹性模量和强度的多尺度上推方法，进行弹性模量和强度的宏观尺度模拟，然后利用实验验证提出的多尺度微观力学模型和宏观模型的正确性，提出一个预测混凝土结构使用寿命的概率耐久性模型，并阐明材料的性能演化机理。

再生骨料混凝土对资源循环利用，降低环境污染具重要的经济与生态价值。然而，同普通混凝土一样，再生骨料混凝土在使用过程中缺少针对其早龄期性能，长期老化机理，以及耐久性的评估方法的研究。本项目主要围绕着可持续混凝土早龄期和长期性能的多尺度表征与演化机理，开展理论与试验相结合的研究，主要工作包括以下几个方面：（1）针对加速冻融循环产生的老化，本研究运用纳米压痕技术从微观角度表征了在冻融循环作用下混凝土中ITZ界面与水泥浆体在冻融循环作用下的演化规律，为构建多尺度模型提供试验基础。（2）基于微观结构形态与其力学特性构建了考虑冻融老化混凝土多尺度模型预测混凝土弹性模量衰退，更好的预测混凝土服役寿命。（3）建立了考虑微观结构演化的喷射混凝土断裂模型，定量化分析了冻融循环对喷射混凝土抗断裂能力衰退的影响。（4）首次提出了冻融循环条件下孔隙演化评价指标，并建立了氯离子扩散多尺度模型，模型建立了冻融损伤与混凝土抗氯离子渗透性的定定量化关系。（5） 在分析混凝土微观CT三维图像时，提出了深度逆卷积神经网络模型来提取混凝土中微裂纹，对冻融损伤进行定量化评价。(6) 在高性能钢纤维混凝土材料中运用了纳米压痕技术分析冻融循环作用下钢纤维混凝土中界面结构进行了表征，揭示了ITZ界面宽度与力学性能的演化规律（7）首次将纳米压痕技术与纳米CT 技术有机的结合起来评估钢纤维与界面中损伤的演化规律，结合近场动力学模型揭示了界面损伤对钢纤维水泥材料强度降低产生的影响。（8）首次提出BSE-Nanoindentation技术相结合的方法分析水泥浆体中各个项的冻融老化规律，为提高可回收骨料混凝土耐久性提供设计依据以及耐久性评价指标。总之，本项目研究成果极大促进了对可回收骨料混凝土及普通混凝土材料早龄期及长期性在不同尺度的演化规律的深入理解。