纳米混凝土氯离子扩散特性与预测方法

本项目面向长寿命土木工程结构的材料科学问题，充分利用纳米材料和增强纤维的纳/微多尺度效应和空间结构特征，研究纳米混凝土力学与耐久性及其机理。主要包括纳米混凝土的制备方法、配合比、基本物理力学性能,纳米混凝土氯离子扩散特性与机制的基础理论，针对冲刷与氯离子侵蚀共同作用服役环境的纳米混凝土冲刷磨蚀特性、冲刷作用下氯离子扩散规律及其机理和预测模型。 通过本项目研究，（1）得到了纳米混凝土的基本力学性能及其影响因素，揭示了纳米材料对混凝土微观结构及其宏观性能的调控机制，发现了纳米材料对水泥水化产物扩散的驱动作用可以使水化产物分布更为均匀，晶体纳米材料对C-S-H凝胶具有很强的结晶化作用，纳米材料邻近区域存在明显共晶区，分析了纳米材料对混凝土微观结构调控机制与机理；确定了纳米材料优化掺量和制备工艺。（2）得到了纳米混凝土氯离子扩散特性及其影响因素，发现了纳米材料改性效应随水灰比减小而增大的特征；建立了纳米砂浆、混凝土、粗骨料界面区的氯离子扩散系数、孔隙特征与水灰比之间的关系；发展了基于配合比的砂浆和混凝土扩散系数数值计算方法。（3）得到了纳米混凝土冲刷磨蚀特性及其影响因素；确定了冲刷和氯离子渗透同步加速实验的冲刷速度和温度相似比关系，发现了冲刷和氯离子侵蚀的耦合加速劣化作用与规律；通过分子动力学模拟研究水压对不同尺寸孔隙流通性和临界有效孔径的影响规律，得到了不同水压下的扩散系数；建立了基于动态扩散边界和扩散系数的冲刷作用下纳米混凝土氯离子扩散分布数值计算方法。 本项目研究将丰富和发展混凝土科学及其耐久性理论，为土木工程结构全寿命设计理论的发展提供高性能材料及其理论模型。 2100433B

面向重大土木工程建设对高耐久性混凝土的需求，研究高性能纳米混凝土及其氯离子扩散特性与改性机理，并针对冲刷与氯离子侵蚀共同作用服役环境，研究其冲刷作用下氯离子扩散规律、机理和预测方法。首先，利用四足氧化锌空间结构特征，研究四足氧化锌和纳米TiO2复掺的纳米混凝土制备工艺、配合比与力学性能；其次，研究纳米混凝土氯离子扩散特性及基于有效扩散通道模拟的扩散系数计算方法，提出其改性机理及评价方法；再次，研究纳米混凝土冲刷磨蚀特性和磨蚀面形貌演化模拟方法，建立磨蚀深度预测模型；最后，研究纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散特性及其加速试验匹配准则，建立纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散数值计算方法，发展纳米混凝土冲刷作用下氯离子扩散预测模型，考察纳米混凝土对钢筋锈蚀的防护作用。本项目研究将丰富和发展混凝土科学，并为纳米混凝土结构钢筋锈蚀预测、耐久性分析和全寿命设计理论奠定基础，具有重要的科学意义和实用价值。

氯盐环境中工作的钢筋混凝土结构，氯离子侵入是诱发钢筋锈蚀的主要原因。混凝土中的氯离子扩散和临界氯离子浓度研究对确保氯盐环境钢筋混凝土结构的安全运行、准确预测和提高工程使用寿命具有十分重要的意义。项目从影响氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命最为关键的氯离子扩散系数和临界氯离子浓度入手，针对影响较大而研究又较少的溶液组成这一因素，分模拟溶液和混凝土两个层次，研究了溶液组成对氯离子扩散系数和临界氯离子浓度影响的理论、规律和测试方法，探索了阻锈剂、矿物外加剂对提高氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命的作用，研究内容包括离子相互作用对氯离子扩散的影响、常见离子种类和浓度对氯离子扩散的影响、考虑溶液组成影响的氯离子扩散模型、钢筋脱钝检测和判定方法、溶液组成对氯离子临界浓度值的影响以及提高氯盐环境下钢筋混凝土结构使用寿命的新方法。项目在与混凝土中钢筋腐蚀发生的自然属性相一致的钢筋活性腐蚀的起始临界点无损综合判别方法，阻锈剂、氯离子来源和矿物外加剂对混凝土中钢筋腐蚀临界氯离子浓度的影响规律，结合氯离子参与混凝土中钢筋的腐蚀过程，混凝土中钢筋腐蚀临界氯离子浓度的表示方法，溶液成份对氯离子扩散迁移特性的影响规律等方面取得了创新成果。项目揭示了溶液组成对混凝土中氯离子扩散和临界氯离子浓度影响的规律和机理，为氯盐环境钢筋混凝土结构设计和安全度分析提供了科学依据。项目共发表论文42篇，其中SCI收录论文11篇，EI收录论文12篇，申请发明专利5项，培养博士4名，硕士4名。 2100433B

研究混凝土中的氯离子扩散和临界氯离子浓度对确保氯盐环境钢筋混凝土结构的安全运行、准确预测和提高工程使用寿命具有十分重要的意义。本项目从影响氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命最为关键的氯离子扩散系数和临界氯离子浓度入手，针对影响较大而研究又少的疲劳作用这一因素，分模拟溶液和混凝土两个层次，系统研究疲劳作用对氯离子扩散系数和临界氯离子浓度影响的理论、测试方法和定量计算模型，探索提高氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命的新方法，内容包括混凝土的疲劳损伤、疲劳作用荷载形式和损伤程度对氯离子扩散的影响及其敏感性、考虑疲劳作用影响的氯离子扩散模型、钢筋脱钝检测和判定方法、疲劳作用对氯离子临界浓度值的影响以及提高氯盐环境受疲劳作用钢筋混凝土结构使用寿命的新方法。本项目旨在揭示疲劳作用对混凝土中氯离子扩散和临界氯离子浓度影响的规律和机理，为氯盐环境受疲劳作用钢筋混凝土结构的设计和安全度分析提供科学依据。

混凝土中的氯离子扩散和临界氯离子浓度研究对确保氯盐环境钢筋混凝土结构的安全运行、准确预测和提高工程使用寿命具有十分重要的意义。本项目从影响氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命最为关键的氯离子扩散系数和临界氯离子浓度入手，针对影响较大而研究又较少的溶液组成这一因素，分模拟溶液和混凝土两个层次，系统研究溶液组成对氯离子扩散系数和临界氯离子浓度影响的理论、测试方法和定量计算模型，探索提高氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命的新方法，内容包括离子相互作用对氯离子扩散的影响、常见离子种类和浓度对氯离子扩散影响的敏感性、考虑溶液组成影响的氯离子扩散模型、钢筋脱钝检测和判定方法、溶液组成对氯离子临界浓度值的影响以及提高氯盐环境下钢筋混凝土结构使用寿命的新方法。本项目旨在揭示溶液组成对混凝土中氯离子扩散和临界氯离子浓度影响的规律和机理，为氯盐环境钢筋混凝土结构设计和安全度分析提供科学依据。