混凝土修复的界面梯度结构形成机制及其对界面疲劳破坏的控制机理研究

Fatigue performance of concrete repair is usually low because of stress concentrations at the interface between repair and the concrete substrate. For this problem, a novel polymer-modified cementitious composites is proposed for concrete repair. Molecular structure of a polymer is modified to change its viscosity, surface tension and hydrophilic property. In this way, the polymer in the composite repair is able to penetrate into the concrete substrate easily and react with the hydrates to form a gradient microstructure at the interface of repair. Continuous changes in microstructure and macro-performances at such an interface are achieved. The force transmission between the repair and substrate concrete through such interface is changed and stress field is optimized, leading to less stress concentrators. As a result, the formation of microcracks is prevented. Even though microstructures are formed, their extension is hindered by the polymer network. In this way, couple novel mechanisms for preventing from fatigue failure of repair are established. Based on this original research proposed, a novel a novel polymer-modified cementitious composites repair with perfect fatigue performance will be developed. In addition, the mechanisms of the development of gradient microstructure at the interface between this novel repair and concrete substrate, and the enhancement of fatigue performance due to such a gradient microstructure will be made clear, which have important scientific and engineering significance.

针对混凝土修复界面应力集中导致抗疲劳性差的问题，本项目提出高渗透聚合物水泥基修复材料，通过对聚合物的分子结构进行设计优化，使其能从复合修复材料渗透迁移到混凝土基体内部并与基体反应从而构建梯度界面结构，实现界面微观结构连续变化、宏观性能梯度变化，根本上改变修复材料与基体间力的传递机制，改善界面应力分布格局，有效预防疲劳荷载下微裂缝的发育形成；且利用聚合物反应产物的桥联作用，阻碍已发育的微裂缝进一步扩展。由此形成了“预防”和“阻碍”双重的界面疲劳破坏控制机制。此新思路将有效提高水泥基修复材料与混凝土基体间的界面抗疲劳性，形成“高抗疲劳聚合物水泥基修复材料”关键技术；通过本项目的研究将阐明该新型修复材料与混凝土基体的界面梯度结构的形成机制，探明混凝土修复工程中界面疲劳破坏与控制的机理，具有较好的科学与工程意义。

本项目针对水泥基修复材料与混凝土基体间界面薄弱的问题，创新性的提出了通过聚合物渗透构建界面梯度结构的思路，从根本上改善界面微观结构的不连续性，改善应力分布格局，消除界面应力集中现象。本项目形成了在水泥基修复材料中以低粘度有机物向混凝土基体渗透并反应从而构建梯度界面的技术，探明了界面梯度结构的形成机制及经时演变规律，揭示了以聚合物渗透与反应构建的梯度界面的力传递机制；设计制备了具有高渗透性和可控反应活性的混凝土用多功能有机外加剂，阐明了该多功能有机外加剂的分子结构对其渗透及反应活性的作用机理，最后形成了海工混凝土用的高抗渗耐蚀水泥基表面修复材料的关键技术，探明了其在海洋多环境因素耦合作用下的损伤累积和性能劣化机制，揭示了有机杂化技术对其性能改善机理。具体研究成果如下：.低粘度水性环氧聚合物在水泥基修复材料中随孔溶液渗透到混凝土基体内部，其浓度随渗透深度呈梯度变化，形成微观结构连续变化、性能梯度变化的修复界面，在界面区域附近0-400 μm的基底中，孔隙率降低了40%以上，弹性模量小于10 GPa的多孔相基本完全消失；在荷载作用下水泥基修复材料与混凝土基体间的界面应力集中现象可以得到有效缓解，界面粘结强度提升率达80%以上。.通过对聚羧酸减水剂分子结构进行功能化修饰，使其能通过羧基的强亲水性使其在毛细作用下随修复材料浆体孔溶液渗透到混凝土基体内部，在基体碱性环境中硅烷基团的反应活性被激活并与基体中的硅氧组分发生反应，从而可以在界面处建立更强的化学键合，可使混凝土修复界面的28天粘结强度提高25%-47%，并使得水泥修复砂浆在靠近界面的显微硬度相比于远离界面的显微硬度提升了33.3%，孔隙率也明显降低。.通过荷载、海洋多离子和海洋干湿循环多因素耦合对经表面修复的混凝土进行劣化试验，结果表明有机杂化和纤维复合技术可有效提高水泥基修复材料的抗渗耐蚀性能，抗氯离子渗透性能可提高63%，修复界面具有更好的粘结性能、抗海洋干湿循环破坏和抗海水腐蚀性能。