基于自养护的水泥基多孔介质微结构调控基础

There is an inherent contradiction between early-age shrinkage cracking and durability in the current thought of durability strengthening by simply pore refining based on the classic theory of concrete science. It is very necessary to solve this contradiction according to the demanding of the practice and increasing the service life of concrete whatever for the urgent key theoretic targets of concrete science or for the sustainable development policy. From the porous media nature of the hardened cementitious materials, this project purposely regulates the microstructure of cement matrix and the time and spatial distribution of internal water by means of superabsorbent polymer (SAP) and porous fine light aggregate as the induction method to realize internal curing. The modern testing technology and computer modeling technology will be utilized to quantitatively characterize the evolution of the new type of microstructure and the time and spatial distribution of the water within the microstructure and then realize it's four-dimentional reconstruction. On basis of this, it is possible to explore the behind mechanism of the effect of the new type of microstructure on the transportation and deformation behavior of cementitious porous media and build its constitutive relations with the porous media theory in the frame of thermodynamics. Research outcomes will help the optimization of the microstructure of modern concrete, develop pore engineering theory, enrich and improve the basic theory of concrete material science and provide new thought for fundamentally resolving the inherent contradiction between early-age shrinkage cracking and durability.

在基于经典理论细化孔隙来提高混凝土耐久性的思路中，存在着早期收缩开裂和耐久性之间的矛盾。如何从工程实践的需求出发，解决这种矛盾，提高混凝土安全服役年限，是混凝土科学急需解决的重大理论课题，也是实现国家可持续发展的关键。项目从水泥基材料多孔介质的本质出发，以高吸水树脂(SAP)和多孔微细轻集料为诱导手段，调控水泥基体的微结构和内部水分的时空分布，实现自养护；利用现代测试技术和计算机模拟技术，定量表征这种微结构的演化特征及内部水分的时空分布规律，实现自养护水泥基多孔介质的四维重构，揭示自养护对于水泥基多孔介质的传输行为和变形行为的影响机制；在多孔介质理论和热力学的框架体系下，建立这种新型微结构的本构关系，优化现代混凝土的微结构，发展微结构工程学，丰富和完善混凝土材料科学基本理论，为从根本上解决早期收缩开裂和耐久性之间的矛盾提供新的思路。

在基于经典理论细化孔隙来提高混凝土耐久性的思路中，存在着早期收缩开裂和耐久性之间的矛盾。如何从工程实践的需求出发，解决这种矛盾，提高混凝土安全服役年限，是混凝土科学急需解决的重大理论课题，也是实现国家可持续发展的关键。项目从水泥基材料多孔介质的本质出发，以高吸水树脂(SAP)和多孔微细轻集料为诱导手段，调控水泥基体的微结构和内部水分的时空分布，实现自养护；本项目设计了具有不同结构的SAP内养护剂；基于水泥水化热、毛细管压力、新拌浆体流变及原位图像分析，提出了SAP在水泥基材料中的吸液倍率评价方法，基于X射线断层扫描技术（X-CT），低场核磁共振技术（LF-NMR），研究了SAP在水泥基材料内部对水分的控释行为，定量描述了其水分的时空分布，揭示了SAP在水泥基材料内部的释水机制。在定量分析基于自养护调控的微结构和宏观的变形行为、传输行为等性能基础之上，探索了“分子结构-水分控释行为-水泥基材料介质传输、变形”之间的关系，建立了基于自养护调控的水泥基多孔介质的变形和传输本构关系。具有高阴离子单体的SAP会快速吸水，但在水泥孔溶液环境也容易快速释水；而非离子型，两性离子型SAP具有更好的耐盐能力。具有高纯水吸液倍率的SAP对水泥浆体工作性带来更大的负面效果；具有高孔溶液吸液倍率的SAP具有更好的减缩性能。本项目的研究为解决早期收缩开裂和耐久性之间的矛盾提供新的思路。