973项目申报书2009CB623200-环境友好现代混凝土的基础研究

项目名称：环境友好现代混凝土的基础研究首席科学家：李宗津东南大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：江苏省科技厅教育部1一、研究内容环境友好建筑材料的基本要求是低污染、低能耗及高性能。现代混凝土的发展实现了辅料（主要是工业废渣）的充分和高效利用，降低了环境污染，节约了能源和资源，同时大幅度的提高了抗压强度与流动性。从这一观点出发，现代混凝土属环境友好的建筑材料。但是现代混凝土又具有胶凝材料用量大，组分复杂，水胶比低的特点，早期易开裂，为有害物质侵入创造了条件，导致了其性能的严重衰减，甚至过早地退出服役，造成大量的经济损失、能源与资源的严重浪费及大量废弃物的污染。因此，要真正实现现代混凝土的环境友好，必须有效地提高现代混凝土的服役寿命。关键科学问题一：现代混凝土微观结构形成机理及其与宏观性能的关系现代混凝土结构的服役性衰退是一由材料到结构的渐进过程。对这一过程的正确描述依赖于对现代混凝土从微观到宏观的科学认识。在现代混凝土的组分中，水泥基胶凝材料起着将其它组分固结在一起的重要作用。胶凝材料在水化过程中形成的微结构是现代混凝土的基因，其分布与组合影响着现代混凝土的各项宏观性能。因此，探讨现代混凝土复杂的硬化浆体微观结构形成机理并提炼其微结构模型是本项目的重大科学问题。围绕这一科学问题，本项目将展开水泥熟料组成与水化活性关系的研究，水泥熟料组成与结构优化的研究，特别要研究高胶凝性水泥熟料与辅料复合优化，各组分对微结构形成的影响，组分之间的交互作用，水化速率与水化度对微结构的影响，提炼现代混凝土的微结构模型，研究微结构形成的诱导与控制途径。总之，通过先进测试技术及高效计算机模拟等研究手段，探索现代混凝土材料微结构形成机理。通过掌握微结构形成机理，研究微结构的优化理论，实现按终端用途对现代混凝土进行材料设计的飞跃。建立现代混凝土的微结构模型之后，我们需要将其与宏观性能有机的联系起来。围绕这一目标，我们将探讨微结构对现代混凝土弹性系数的影响，确定典型的代表性体积单元，通过多尺度过渡途径，确定微结构与宏观本构之间的联系，建立力学宏观本构关系及基于多孔介质力学的混凝土传输本构关系。关键科学问题二：现代混凝土在化学-力学因素耦合作用下微结构的演化与损伤机理现代混凝土服役过程中既承受荷载（静载,动载）又经受环境的双重和多2重作用，大量的混凝土结构的过早失效是环境作用诱发混凝土内部化学演变和结构承载力下降双向作用的结果。其研究内容包括：建立多孔介质理论与热动力学框架下的化学作用向力学作用转化平台，不同组合形式的化学-力学因素耦合作用下微结构的演变和微裂缝形成的驱动力，化学-力学耦合作用下材料硬化/软化表征，及基于多重因素作用下混凝土材料的损伤本构模型、化学-力学耦合作用下的材料损伤模型。此研究将允许化学反应的动力学直接进入到材料的宏观水平。关键科学问题三：复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论混凝土结构在服役过程中经受着复杂的环境作用，其劣化过程包括微结构的演变、裂缝的发展乃至结构的失效，经由材料层面逐渐发展到结构层面。服役寿命设计理论必须综合考虑上述因素。本项目将从混凝土材料、混凝土构件、混凝土结构三个层次出发，充分揭示现代混凝土在相应层次上微结构的演变对钢筋混凝土结构服役寿命的影响，建立荷载和环境因素作用下钢筋混凝土结构的时效关系，揭示材料和环境互动机制对混凝土结构服役寿命的影响规律，提出相应的控制参数与设计准则，最终建立复杂环境作用下现代混凝土结构服役寿命设计理论框架。最后，本项目将根据现代混凝土结构服役寿命需要和现代混凝土微结构优化理论的指导,对现代混凝土服役性能的提升技术进行研究。其内容有：现代混凝土微结构工程学理论基础，现代混凝土原位增韧机理，研究高减水、低收缩以及同时具有阻锈功能的多功能耐久性改进材料的结构构建与合成，二元超双亲性迁移型表层强化材料的功能构筑及其迁移聚集机理研究，并将研究成果应用于实际工程。3二、预期目标1、总体目标本项目将站在实现国家节能降耗与可持续发展的战略高度，运用纳米科学的新思维与高精尖的现代测试及模拟技术，把现代混凝土的研究纳入科学轨道，从源头上对现代混凝土的微观表现与宏观性能进行系统的研究，从本质上建立起其微观与宏观之间的有机关系，揭示现代混凝土在环境与荷载多重因素耦合作用下的服役性能退变机理，发展现代混凝土结构服役寿命设计理论，完善与推动现代混凝土微结构工程学的发展，并用其指导现代混凝土长寿命化设计，以保障我国重大工程的安全建设和有效运营，实现土木工程领域节能、节资、减轻环境负荷的目标，达到环境友好之目的。开发新一代高韧性、高抗拉、高抗裂的混凝土材料，开创现代混凝土材料与结构研究的新纪元，提升我国现代混凝土科学和技术基础研究的原始创新能力，引导国际混凝土的发展方向。2、五年预期目标(1)深入研究现代混凝土微结构形成的机理与微结构结合力的组成，提出能高度抽象而又反映实际的微结构模型；(2)建立现代混凝土在微观层次的性能特点与其工程宏观表现的有机联系，使其在本构关系及其化学-荷载互动关系中得到体现；(3)利用建立的微观结构与宏观性能关系，揭示现代混凝土在力学与环境多重因素耦合作用下的性能退变机理和服役机制；(4)创建符合我国国情、推动经济发展并与其相适应的现代混凝土结构服役寿命设计理论框架；(5)完善与推动现代混凝土微结构工程学的发展，并用其指导现代混凝土服役性能的提升技术，实现我国现代混凝土科学和技术基础研究的原始创新能力的腾跃；(6)在现代混凝土的研究领域取得一批国际领先的原创性成果，总体上达到国际先进水平，部分达到国际领先水平，使我国现代混凝土的研究跨入世界先进行列。力争在建立新的体系的同时，使现代混凝土的抗拉强度与抗压强度比提高30%以上，韧性比传统混凝土提高2倍以上，断裂韧性提高到3~5MPam1/2，大幅度提高现代混凝土结构的服役寿命，降低水泥熟料用量50%以上，减少相关矿物4资源消耗50%以上。(7)五年发表300篇以上SCI收录的论文，申请国内专利20-30项，国外专利3-5项，出版3至5本专著；力争获国家奖1-2项。促进多学科交叉发展，培养一批高素质、高创新能力的博士、硕士研究生，建立一支具有勇于创新、思维活跃、学风严谨、勤奋好学、有奉献和牺牲精神、高学术水平的中青年科学家队伍。5三、研究方案1、学术思路和技术路线根据环境友好现代混凝土的基础研究的要求，针对其所面临的关键科学问题，本项目将站在提高现代混凝土服役性能和结构安全性、延长服役寿命这一终端用途的高度，综合考虑现代混凝土制备、微结构、力学-传输性能与环境-荷载因素作用下的损伤退化机理，从最关键的现代混凝土微结构的形成机理及其对宏观性能的影响入手，建立微结构模型，并运用多尺度过渡理论与方法，将此微观特征植入到力学与传输的宏观性能。全面考虑环境-荷载因素的影响，探讨基于热力学与多孔介质力学平台上的化学-力学转化方程，建立现代混凝土在荷载与环境因素的耦合作用下其微结构与宏观性能损伤失效机理。在此基础上，形成崭新的基于微结构与宏观性能互动原理上的现代混凝土服役性能设计理论框架，研发高抗裂、高韧性长寿命的现代混凝土，有效提升现代混凝土服役性能和使用安全性，在强调原始理论创新的同时，注重研究成果的应用。。围绕总体学术思路,本项目的总体技术路线确定如下：（1）发展现代混凝土微结构形成理论，采用先进的测试仪器和技术对现代混凝土在纳米层次上的微结构及结合力进行表征，对现代混凝土浆体的水化动力学过程进行研究，应用量子化学的理论对水化物间的结合力形成机理进行研究，运用大型分子动力学软件模拟纳米级凝胶结构的起源，运用热力学与动力学的手段，建立高度抽象而又更能反映现代混凝土属性的微结构模型。（2）从现代混凝土的微结构模型出发，在多尺度连续介质力学和多孔介质理论的框架下，研究现代混凝土的力学及传输的本构方程，并由唯象逻辑法经试验建立起类似的本构关系并相互验证，建立微观结构与宏观性能之间的关系。（3）基于多孔介质理论及热动力学的平台，实现环境因素的化学-力学转化。在室内模拟试验与现场暴露试验的基础上，建立环境因素与荷载耦合作用下的损伤和寿命预测模型，提高寿命预测的科学性和可靠性。（4）利用力学及传输的本构方程及环境因素与荷载作用耦合下的损伤模型，通过加速试验、理论分析与模拟，研究现代混凝土结构性能变化及时效关系。研发与水泥基相匹配的新型智能传感器，发展服役智能化技术，实现混凝土结构服6役的智能化。在提出控制参数与设计准则的基础上建立现代混凝土结构的服役寿命设计理论框架。（5）根据现代混凝土服役性能的要求及微结构特征，研究原位增韧机理与途径，调控和优化混凝土微结构，发展混凝土微结构工程学，建立基于微结构工程学的混凝土配合比设计理论与方法。结合典型工程（泰洲大桥、京沪高铁等）和典型产品将理论研究成果全面应用。评价和完善所建理论体系的科学性及准确性，并为重大工程安全服役提供科学论证。2、创新点与特色理论创新：建立反映现代混凝土物理化学本质的微结构模型；建立现代混凝土在复杂应力状态下由微结构向宏观结构过渡的多尺度本构关系；将现代混凝土的化学反应引入到其宏观力学框架，建立化学-力学的转化理论；基于混凝土材料及其结构的损伤演化过程建立现代混凝土结构服役寿命设计理论框架。方法与技术创新：运用分子动力学仿真大型软件进行热动力学模拟分析，建立基于量子化学和结构化学的原子或分子间势能计算方法，通过水化环境对水化物的结合力的影响，建立纳米级凝胶结构模型。运用原子力显微镜和纳米压痕技术，研究C-S-H簇的基本构成单元的结合力类型，建立具有现代混凝土组成特征及硬化规律的微结构模型。将连续介质力学与多孔介质理论相结合研究现代混凝土的力学本构和传输关系。将多孔介质理论与热动力学相结合研究环境因素的化学-力学等效转换。研究加速试验与自然环境作用间的相似关系，建立荷载和环境因素耦合作用下现代混凝土材料和现代混凝土结构时效关系。采用近似概率法创建基于微结构演化与多向应力本构关系的统一考虑设计、施工、使用各个阶段的现代混凝土结构服役寿命设计理论。采用智能传感器的植入（内置）技术，改善智能传感器的可靠性及耐久性，实现定量化的结构服役性能监测。采用官能团定位技术，制备链末端带有反应性官能团且具有双层交联结构的遥爪聚合物微凝胶，实现混凝土的原位增韧。采用现代分子裁剪和接枝技术，制备具有高减水、低收缩和阻锈功能的多功7能耐久性改进材料；采用二元超双亲特定分子自组装技术，制备具有迁移、自组装和表面强化功能的混凝土表面强化材料，显著提升现代混凝土的服役性能。本项目的特色：（1）以提升现代混凝土的服役性能和安全性、延长服役寿命为主线，结合辅料的高效利用，从根本上实现混凝土工程的节能降耗与环境友好目标。（2）在微结构研究中，引入纳米科学研究的方法，从现代混凝土微结构的起源建立相关模型，并将微结构的特征植入到宏观性能中。（3）围绕服役性能这一终端用途，揭示现代混凝土制备、微结构、性能、效能之间的有机联系，实现基于性能要求的微结构调控。（4）本研究涉及材料、结构、力学、数学、物理、化学和计算机科学等多学科领域，学科相互渗透性强，有取得重大突破的前景。3、可行性分析（1）项目的总体研究思路与技术路线的设定是建立在坚实的前期工作的基础上的。从学术研究的基础来看，世界上以NANOCEM（欧盟学术/工业界水泥基材料研究计划）、ACBM（美国先进水泥基材料研究计划）、ConcreteCanada（加拿大混凝土）为代表的大型研究项目已取得了重大进展，从纳米尺度对水泥基材料的水化机理及微结构模型提出了新的见解，可供本项目借鉴。本项目课题组在现代混凝土的性能和机理研究中也取得了突破性成果，对其水化过程中的热力学与动力学特征有了进一步独到与科学的理解（3个香港RGC项目支撑），对现代混凝土在多因素耦合作用下损伤规律有了深刻的认识和创新性的研究进展（国家自然科学基金重点项目，国家863项目和交通部西部攻关项目支撑），对现代混凝土服役性的设计提出了切实可行的新思路，运用多孔介质理论与热动力学平台将现代混凝土中的