基于集料功能设计与界面结构优化的高技术混凝土研究

优质混凝土应当以实现组成、结构与性能整体的科学设计为前提，以往的研究工作主要集中在优选胶凝材料与混凝土配合比设计方面，而对用量最大的集料却研究甚少。事实上，混凝土中集料及其与水泥浆体的界面过渡区是影响其性能最重要的因素之一。本项目提出混凝土材料精细设计的理念与研究思路，在胶凝材料与混凝土配合比优化设计的基础上，对集料进行结构与功能设计，使其具有增强界面、调控养护氛围的作用，从本质上改善和优化界面过渡区，有效提高混凝土性能并实现其特定功能的可设计性。项目建立功能型混凝土集料理想模型;研究具有内部水传输孔结构与外表面水化活性一体化集料的工作机制与材料烧成技术；研究界面过渡区结构形成规律与性能调控机制；进行高技术混凝土的组成、结构整体优化与精细设计，从而获得具有界面过渡区优化的高性能混凝土材料，从本质上提高混凝土的耐久性和使用功能，为高技术混凝土的发展提供理论指导。 2100433B

现代混凝土在施工期间经常会因离析泌水而产生各种原始界面缺陷(浇注表面薄弱区、粗集料或水平钢筋底部弱界面区)，从而导致混凝土结构耐久性显著降低。本课题通过研究不同材料组成水泥浆、砂浆的流变特性及其时变规律，确定调控水泥浆、砂浆流变特性的材料优化设计方法；通过量化评价新拌混凝土的动态和静离析泌水性能，建立离析泌水与水泥净浆和砂浆流变特性、粗集料特征之间的相互关系；通过制作大尺寸混凝土构件，研究表面薄弱层、水平钢筋和粗骨料下部弱界面结合区等原始界面缺陷在不同配比混凝土中的形成规律，通过宏观性能与微观测试对原始界面缺陷进行量化表征；基于计算流体力学数值模拟与实验结果对比分析，建立混凝土原始界面缺陷形成、离析泌水、水泥浆和砂浆流变特性之间的因果关系，提出基于材料流变特性的混凝土原始界面缺陷形成机理；针对不同施工方式和粗集料特征，确定基于水泥浆体、砂浆流变特性调控的混凝土原始界面缺陷形成控制技术。

本项目主要从以下四个方面展开理论与试验研究：材料组成对混凝土流变性的影响规律与机理、混凝土离析泌水及原始界面缺陷产生的流变学机理、混凝土原始缺陷调控与耐久性提升技术、材料流变性与纤维分散和取向调控研究。项目组经过四年研究，全部实现了计划任务书规定的各项研究目标，各项指标均超额完成。共申请国家发明专利4项，公开发表学术论文17篇，培养博士、硕士研究生9人。通过对不同胶凝材料和外加剂水泥浆体、砂浆流变性的研究，提出了水泥基材料流变性与颗粒特性、堆积状态、平均表面水膜或水泥浆膜厚度等之间的对应关系；通过对粗集料颗粒特性的量化表征和大量实验和理论分析，建立了大流动性混凝土工作性与粗集料特征、水泥砂浆流变特性之间的对应关系；为实现新拌混凝土流变性的量化设计与调控提供了基础数据。基于混凝土中不同物相的电阻率差异，研制了一种可定量评价混凝土在振动与不振动条件下离析程度的测试装置；开发了一种基于高精度激光位移传感器的混凝土泌水测试装置。提出了不同配合比混凝土的屈服剪切应力、塑性粘度与静态离析率之间的关系，推导了外部振动条件下混凝土中粗骨料沉降距离的理论计算公式和修正方法。通过实验和回归分析，提出了混凝土离析程度、界面过渡区和宏观性能非均匀分布之间的对应关系。研究了不同粘度改善剂对新拌混凝土流变性和气泡稳定性的影响与作用机理，确定了可以显著改善混凝土抗渗性和抗冻性的粘度改善剂种类和最佳掺量；针对工程中常出现的自密实混凝土分层浇注界面缺陷问题，提出了通过配合比设计和材料优选，以减小絮凝颗粒尺寸和屈服应力经时增长的解决方案。通过研究钢纤维、纳米碳纤维在不同流变性浆体中的分布规律，提出了基于流变性调控优化纤维分布状态的混凝土制备新技术；研发了一种基于流动诱导纤维取向的超高性能混凝土制备新技术，可以实现混凝土抗弯力学性能的显著提高，进而为突破现有水泥基材料力学性能指标范围提供的技术方案。 2100433B

为了创造符合人们需求的建筑空间，同时适应数字技术的迅速发展，必须采取多元化跨学科的整合设计研究。基于普及运算的互动建筑界面原型研究试图整合建筑、电子元件和机械装置，创造一种遍布感应装置及其它电子装置的互动建筑界面模型，以便为未来的产业化互动建筑界面提供研究原型。这种建筑界面能根据周围环境条件、人体活动以及其他建筑问题，利用数字装置收集相关数据并做出判断，同时以此为依据即时或延时调整自身形态或物理状态，以便创造更加有意义的活动环境。