纳米材料复合自密实混凝土流变、硬化性能及机理研究

The combination of nano-modified cement-based materials and self-consolidating concrete (SCC) technology, is a frontier research topic in the field of advanced cement based composite materials, however the research on the rheology, hardened properties and mechanism of nano-composite SCC still remain a great gap. Based on the study of the dispersed key technology and mechanism of various nano materials in cement-based materials, this project is to clarify the mechanism of different nano materials on the rheological properties of self-consolidating cement-based composites, establish the logical relationship between the rheological parameters of the paste and the workability performance of the concrete. In the meantime, the microstructure formation mechanism of nano composite SCC is to be investigated, the effect of nano materials on the interfacial characteristics between hardened cement paste and aggregate is to be analyzed. And the improvement mechanism of nano materials on mechanical properties of SCC is to be revealed on the basis of the research on reinforced mechanism of nano materials in concrete. Furthermore, performance-based optimal design is also to be recommended based on the balance between rheology and hardened properties of nano SCC. The innovation on basic theory of this research has important theoretical significance and practical value on the enrichment and development of nano materials composite high-performance concrete materials and the promotion in engineering application in the excellent comprehensive properties of modified nano materials SCC.

纳米改性水泥基材料技术与自密实混凝土技术的结合，是先进水泥基复合材料领域的前沿课题，但目前纳米改性自密实混凝土的流变特征及硬化性能的理论研究及机理分析仍存在极大空白。本项目基于对不同性质纳米材料在水泥基材料中的分散机理及分散关键技术的研究，阐明不同纳米材料对自密实水泥基复合材料体系流变性能影响的机理性问题，建立浆体流变特征参数与混凝土宏观工作性能间的逻辑关联；同时，研究纳米材料复合自密实混凝土体系的微观形貌及微观结构形成机理，分析纳米材料对硬化水泥浆体及浆体与骨料间界面特性的影响；基于纳米材料对混凝土微观改性机理的研究，揭示纳米材料对混凝土宏观力学性能的强化机制；推荐基于流变参数及硬化性能的纳米自密实混凝土的性能平衡优化设计。本项目的创新性研究成果对丰富和发展纳米高性能水泥基复合材料的基本理论，推动综合性能优异的纳米自密实混凝土在重大工程中的应用具有重要的理论意义和实用价值。

项目围绕纳米材料复合自密实混凝土流变、硬化性能及机理展开研究，项目主要研究了氧化石墨烯复合水泥基材料的相关性能，在项目开展年限内解决了氧化石墨烯在水泥基材料中的分散问题并明晰了其分散机理。同时将氧化石墨烯与普通水泥基材料结合，探究了其对普通水泥基材料的流变、力学、耐久性能（抗碳化性能以及抗溶蚀性能）的作用效果并明晰其机理。项目主要研究成果包括：1） 研究了氧化石墨烯在水泥浆体中的团聚、再团聚现象并探究了氧化石墨烯在水泥浆体中均匀分散及再团聚的机理，同时应用氧化石墨烯与P-HRWR的结合实现了氧化石墨烯在水泥浆体中的均匀分散；2）结合工程实际及影响流变性能的原理，分析氧化石墨烯掺量、不同分散剂和氧化石墨烯的复合对水泥浆体流变性能的影响，确定了氧化石墨烯-水泥和氧化石墨烯-（P-HRWR）-水泥复合浆体的流变模型；3）应用了P-HRWR的静电排斥及空间位阻作用，减缓氧化石墨烯在水泥浆体再团聚的问题，提高了氧化石墨烯的利用率；对比性研究了均匀分散及再团聚的氧化石墨烯在强化硬化水泥浆体机理上的差异性；4）将氧化石墨烯应用于普通水泥基材料中，结合加速碳化实验，对比了氧化石墨烯复合水泥浆体与普通水泥浆体的碳化深度以及碳化进程，探究其对普通水泥基材料抗碳化性能增强效果，并结合微观测试分析方法明晰了其增强机理，实现了氧化石墨烯对普通水泥基材料耐久性能的提升；5）探究了氧化石墨烯复合普通水泥基材料的溶蚀行为，从化学组成和微观结构两方面，分别采用电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射仪、热重分析仪、压汞仪和扫描电镜对去离子水浸泡下的氧化石墨烯复合水泥净浆的元素浸出浓度、化学组成、微观结构进行测试，揭示氧化石墨烯复合硅酸盐水泥基材料的溶蚀行为；从宏观表征和电化学特性两方面，分别采用酚酞试剂、恒加载抗压试验机、电化学阻抗谱法和扫描电镜对6M氯化铵溶液浸泡下的氧化石墨烯复合水泥净浆的溶蚀深度、抗压强度、电化学特性和微观结构进行测试，揭示溶蚀下氧化石墨烯复合硅酸盐水泥基材料的电化学特性变化，并建立基于电化学参数的溶蚀深度和抗压强度损失的预测模型；最后，根据以上实验分析，揭示氧化石墨烯复合硅酸盐水泥基材料的溶蚀机理