基于表面强化的梯度结构水泥基材料界面特性与离子传输机理

Decreasing the ion transport properties of cement-based materials is the key of preventing and controlling the corrosion of chloride ion, especially the covering layer. In this program, integrated design on function and structure of gradient structural cementitious materials(abbr. GSCM) is investigated by gradient structural mechanism and surface strengthening technology. Surface strengthening material with higher anti-permeability, anti-corrosion and anti-cracking function is researched and developed by percolation theory and interface strengthening mechanism. The interface mechanical property of GSCM was studied by interface strength, imprinting process and microhardness, the interface shrinkage property was obtained by drying shrinkage test and ANSYS simulation, the ion transport property was investigated by RCM method and natural diffusion method. Moreover, the interface microstructure was investigated by ESEM-EDXA, ESEM-BSE, BET and MIP. The study aimed to analyze interface properties matching, ion transport and mechanism of GSCM to resolve the structure stability and durability of GSCM, property-lift technology of cement-based materials based on surface strengthening is also established. Moreover, novel thinking on preventing and controlling the corrosion of cement-based materials under the complex corrosion conditions is explored.

防治和控制氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的核心是降低水泥基材料离子传输性能，特别是降低其保护层的离子传输性能。本项目拟通过引入梯度结构设计原理及表面强化技术，进行基于表面强化的梯度结构水泥基材料(简称：GSCM)功能/结构一体化设计；研发具有高抗渗、高抗蚀、防裂功能的GSCM表面强化材料，并研究其工作性能、力学性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能、收缩性能及其微观结构；采用界面强度、压印工艺、显微硬度研究GSCM的界面力学性能，采用干缩、ANSYS模拟研究GSCM的界面收缩性能，采用RCM法、自然扩散法研究GSCM的离子传输特性，运用ESEM-EDXA、ESEM-BSE、氮吸附BET和MIP研究GSCM界面微观结构。旨在探索GSCM界面特性、离子传输及机理问题，解决GSCM结构稳定性和耐久性，建立基于表面强化的水泥基材料性能提升技术，探索防治和控制复杂腐蚀环境中水泥基材料侵蚀破坏的新思路。

氯离子侵蚀环境下混凝土耐久性问题一直是混凝土材料领域的研究热点之一，也是当前土木工程界需要迫切解决的问题之一。而提高氯离子侵蚀环境下混凝土耐久性的关键是降低混凝土离子传输性能，特别是降低其保护层的离子传输性能。本项目围绕混凝土耐久性技术难题进行了梯度结构水泥基材料的设计、耐久性能、收缩性能、界面性能、制备工艺以及微观结构的研究，开发了水泥基表面强化材料，取消传统水泥基复合材料中粗、细集料，引入特细砂、高活性辅助胶凝材料和纳米增强组分，并掺入减缩组分、抗裂组分、憎水组分等性能调整组分，细化或消除集料－水泥石之间界面过渡区，研究其力学性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能和收缩性能，并采用SEM-EDXA、XRD、TG-DTG、MIP、显微硬度等先进测试手段来研究其微观性能。系统研究了梯度结构水泥基材料的界面性能与微观结构。采用劈裂抗拉试验、自然扩散和加速扩散试验以及ANSYS模拟来分别研究梯度结构水泥基材料的界面力学性能、传输性能和收缩性能，同时，采用SEM-EDXA、MIP、显微硬度等先进测试方法来研究梯度结构水泥基材料表面强化层界面的水化产物及其分布、孔隙结构特征以及界面结合情况等界面微观结构，并建立其界面结构模型。根据考虑多种因素作用下的Cl－扩散理论模型，对梯度结构水泥基材料的服役寿命进行预测。项目申请发明专利2项，发表论文11篇(其中SCI、EI、ISTP收录论文9篇次)，培养研究生5名(博士研究生1名，硕士研究生4名)。研究结果不仅为提升混凝土结构耐久性技术奠定了理论基础，而且为其它梯度结构水泥基材料的设计提供了可借鉴的理论指导和技术支撑。