基于流变学的混凝土原始界面缺陷形成机理与控制研究

A variety of original interface defects often occur in modern concrete structures due to bleeding and segregation during the construction process. These interface defects include weak layer of casting specimen surface, weak interface zone under coarse aggregates or horizontal reinforcement bars. The formation of such defects leads to a significant reduction of concrete durability. In this proposal , the rheological property and its development with time will be studied for cement paste and mortar samples with different mixing proportions, and the material optimization design method will be found for adjusting and controlling the rheological properties of cement paste and mortar. Dynamic and static bleeding and segregation performances will be evaluated quantitatively for fresh concrete mixture, and the relationship will be established among segregation and bleeding of concrete, the rheological properties of cement paste and mortar and coarse aggregate characteristics. Through preparing the large size concrete components, formation tendency of weak layer of casting surface, weak interface zone under coarse aggregates or horizontal reinforcement bars will be tested for different mixing proportion concretes. These original interface defects will be quantitatively characterized by measuring macro performances and microstructures. Based on the numerical simulation of computational fluid mechanics and comparing analysis of tested results, the relationship will be established among the formation of original interface defect in concrete, bleeding and segregation, rheological characteristics of cement paste and mortar. The formation mechanism of original interface defects in concrete will be proposed based on the rheology. According to different construction methods and coarse aggregate characteristics, the controlling method of the original interface defects formation in concrete will be suggested based on controlling the rheological properties of cement paste and mortar.

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。