海洋环境下纳米粘土钢筋混凝土构件承载力和耐久性研究

Durability of concrete structures is a difficult and complex engineering problem which pursued the civil engineers worldwide. It has been indicated that the damage accumulation and failure of the construction materials is the direct cause resulting in the early deterioration of concrete structures. Once the engineering property and durability of the construction materials is improved, durable concrete structures can be achieved. .In this research, Nanoclay is applied to improve the engineering properties and durability of the cement-based materials. The disperse property of Nanoclay in cement paste will be investigated in detail. The disperse technique of Nanoclay in cement-based materials will be investigated, and the relative addition amount of Nanoclay will be suggested. Based on the multi-scale theory, the mechanical property of the interfacial transition zone in Nanoclay modified cement based materials will be examined from a deeper level. The modification mechanism of Nanoclay to cement-based materials will be discussed in detail. Early-age performance of the Nanoclay modified cement will be explored. The engineering properties (such as permeability, conductivity, strength, displacement, fracture mechanism, fatigue property, etc) will be discovered. The durability of the Nanoclay modified concrete will be studied, and a quantitative evaluation criterion will be suggested to assess the durability of Nanoclay modified concrete. The bond behavior between the Nanoclay modified concrete and reinforcing steel will be examined. The influence of Nanoclay on steel corrosion and the bond properties between concrete and reinforcing steel will be investigated. The results will establish a scientific basis for overcoming the engineering challenges of the modern concrete structure durability.

海洋环境下混凝土结构耐久性是困扰全世界土木工程界的工程难题。混凝土结构破坏始于构件的破坏，构件的破坏源于结构材料的损伤积累和失效，提高混凝土材料的力学性能和耐久性是改善混凝土结构耐久性的关键问题。.本项目旨在利用纳米粘土颗粒增强水泥基材料的工程性和耐久性；提出纳米粘土颗粒在水泥基材料中的最佳分散方法和合理掺量，基于多尺度方法从更深层次揭示纳米粘土颗粒对水泥基材料的增强机理，研究纳米粘土增强水泥基材料早期性能的发展规律；探明纳米粘土增强混凝土渗透性、导电性、强度、变形、断裂机理、疲劳特性等物理力学性能；深入了解海洋环境下纳米粘土混凝土耐久性；研究纳米粘土混凝土与钢筋之间的粘结性能；明确海洋环境下纳米粘土对混凝土构件内部钢筋锈蚀的发展规律及其耐久性；探索海洋环境下纳米粘土混凝土构件承载力和耐久性，为最终实现承载力和耐久性科学统一的新型混凝土结构设计提出新途径。

课题以纳米粘土钢筋混凝土为研究对象，以揭示海洋环境下纳米钢筋混凝土构件承载力和耐久性为研究目的，通过试验与理论分析，探索纳米粘土在水泥基材料中的最佳分散方法；从材料和构件层次详细研究纳米粘土水泥基材料早期性能、物理力学性能及耐久性的发展规律，探讨海洋环境下纳米粘土水泥基材料内部钢筋钝化-脱钝-锈蚀全过程，研究纳米粘土钢筋混凝土的耐久性。在以下方面有所创新或有新认识：（1）通过几种纳米粘土、细度纳米偏高岭土水泥基材料早期开裂、氯离子渗透性试验，明确对水泥基材料氯离子渗透性有显著改善作用的纳米偏高岭土；探索纳米偏高岭土在水泥基材料中的最佳分散方法，并进行定量评价；（2）详细研究纳米粘土水泥基材料物理力学性能（流变性、凝结时间、早期开裂性能、导电性、氯离子渗透性、强度、弹性模量、变形特性等），基于XRD、SEM、TGA等方法从微观尺度揭示纳米粘土对水泥基材料的改性机理；重点研究纳米偏高岭土对水泥基材料流动性及流变性的影响规律，为纳米偏高岭土混凝土大规模施工提供依据和参考；完成5种掺量纳米粘土水泥砂浆断裂性能试验，得到纳米粘土水泥砂浆断裂特性；基于复合材料细观损伤力学建立了纳米偏高岭土砂浆弹性模量的理论模型；提出基于Copula函数的NMK混凝土耐久性指标权重计算模型。（3）利用电化学阻抗谱、循环动电位极化、阴极极化、热重和X射线衍射等方法，提出一种考虑弥散效应和水泥浆/电极界面扩散过程的等效电路模型，获得水泥浆电化学参数、抗压强度和孔结构随龄期的变化规律；探索一般环境、氯盐、氯盐-硫酸盐耦合、干湿交替等腐蚀环境下纳米粘土水泥基材料电化学性能及其内部钢筋的钝化过程及其耐蚀性，得到NMK掺量对水泥砂浆内部钢筋钝化及耐蚀性的影响规律。（4）基于SEM、EDS和纳米压痕试验，得到酸雨环境下混凝土内部粗骨料-砂浆界面过渡区弹性模量退化规律，提出酸雨环境下砂浆与界面过渡区应力-应变关系修正模型，揭示酸雨环境下混凝土抗裂性能劣化机理酸雨环境下骨料-砂浆界面过渡区物理力学性能；模拟强碱、强硫酸盐、盐冻、高温、酸雨等环境，完成CFRP-混凝土单剪试验CFRP-混凝土正拉黏结试验，探讨高岭土对CFRP-混凝土的抗剥离作用，重点考察环境因素、混凝土表面粗糙度、腐蚀龄期、混凝土等级对界面破坏形态、界面极限荷载、界面黏结强度、最大位移、有效黏结长度、界面断裂能等指标的影响规律。