基于微观力学的水化硅酸钙凝胶徐变机理研究

Concrete creep is one of the major sources to the instability of concrete structure, and it would lead to the pre-stress loss, volume instability, even crack and failure of concrete structure. Calcium silicate hydrate (C-S-H) gel as the major source of concrete creep, is the key to reveal the micro-mechanism of concrete creep. It is well known that creep of C-S-H gel is decided by its microstructural feature. However, due to the lack of the direct and effective research methods, the understanding on the relationship between creep of C-S-H gel and its microstructure is still poor. This research is to investigate the creep behavior of C-S-H gels by micro-mechanical experimental and theoretical methods, and reveal the relationship of the creep of C-S-H gel with its microstructure and microscale physical process. Moreover, this research is to propose the multi-scale prediction model for concrete creep, build the relationship between the creeps of C-S-H gel and concrete, and reveal the micro-mechanism of concrete creep influenced by the environmental conditions, e.g. temperature and humidity. This research will provide the scientific basis for the understanding and prediction of concrete creep, and theoretical support for the micro-regulation of the concrete creep. Also, this research has an important guiding significance for analyzing and solving the engineering problems related to concrete creep.

混凝土徐变是混凝土结构不稳定的主要因素之一，可导致混凝土结构的预应力损失、体积稳定性下降甚至开裂破坏。水化硅酸钙凝胶作为混凝土徐变的主要来源，是研究混凝土徐变微观机理的关键。众所周知，水化硅酸钙凝胶的徐变由其微结构特性决定，由于缺乏直接有效的研究手段，目前对于水化硅酸钙凝胶的徐变与其微结构特性的关系认识仍不明确。项目拟采用微观力学实验和理论研究方法研究水化硅酸钙凝胶的徐变行为，探明水化硅酸钙凝胶徐变行为与其微观结构、微观物理过程之间的关系。项目还将进一步提出混凝土徐变多尺度预测模型，建立水化硅酸钙凝胶徐变与混凝土宏观徐变之间的联系，并揭示温度、湿度等环境因素对于混凝土宏观徐变行为影响的微观机理。研究工作将为混凝土徐变的理解和预测提供科学基础，同时也为混凝土宏观徐变的微观调控提供理论支撑，对分析和解决混凝土在工程应用中的徐变问题具有重要指导意义。

混凝土徐变是混凝土结构不稳定的主要因素之一，可导致混凝土结构的预应力损失、体积稳定性下降甚至开裂破坏。水化硅酸钙凝胶作为混凝土徐变的主要来源，是研究混凝土徐变微观机理的关键。水化硅酸钙凝胶的徐变由其微结构特性决定，由于缺乏直接有效的研究手段，对于水化硅酸钙凝胶的徐变与其微结构特性的关系认识不明确。本项目首先采用微观力学实验表征了水化硅酸钙凝胶徐变，获得了不同水化硅酸钙凝胶的徐变模量，继而提出了水化硅酸钙凝胶微观力学结构模型，探明了纳米氢氧化钙和纳米孔隙对水化硅酸钙凝胶微观力学性能的影响机理。通过先进微观力学表征方法在水泥基材料研究中的应用，探明了水化硅酸钙凝胶微观力学性能随水化时间的演变过程，揭示了水泥颗粒粒径对水化硅酸钙凝胶微观力学性能的影响规律。通过纳米压痕动态力学测试方法，发现徐变过程中水化硅酸钙凝胶结构单元的定向排布是导致其徐变的本质原因。最后提出了水化硅酸钙凝胶微观力学材料设计方法，通过引入少量化学改性材料，诱导水化硅酸钙凝胶形成有序层状结构，实现了水化硅酸钙凝胶徐变等微观力学性能的调控。总之，本项目采用微观力学实验和理论方法研究了包括徐变在内的水化硅酸钙凝胶微观力学行为，探明了水化硅酸钙凝胶微观力学行为与其微观结构、微观物理过程之间的关系，揭示了不同因素对于水化硅酸钙凝胶徐变等微观力学行为的影响机理，并提出了水化硅酸钙凝胶徐变的微观调控方法。