基于分子动力学的聚合物对海工混凝土耐久性的影响机理研究

The durability of marine concrete under harsh environment is becoming a big issue, among which chloride penetration is the main reason leading to materials damage and structure failure. By the fabrication of organic-inorganic composites（adding polymers into the matrix of rebar-concrete structure）, this projects aims at enhancing the mechanical properties of calcium silicate hydrates (C-S-H), controlling the penetration of chloride ions through the pore network of concrete, and postponing the corrosion reaction at the concrete/rebar interfaces, in order for the comprehensive improvement of concrete durability. Based on molecular dynamics, this project will simulate the overall process that chlorides penetrate into the concrete, transport, and damage the passivation film of rebars, and study the interaction mechanisms between organic polymers, inorganic substrates (C-S-H and rebar), and chlorides at the nano-length-scale. Combined with the experimental characterization techniques based on synchrotron, this project plans to comprehensively screen the nano-materials with proper functional groups and molecular structure, in order to provide theory supports and material schemes to the durability improvement techniques of marine concrete in fields.

严酷环境下海工混凝土的耐久性问题日益显著，其中氯离子侵蚀是材料损伤与结构失效的元凶。本项目拟通过有机-无机材料的复合（即在钢筋-混凝土基体中掺入机聚合物），增强水化硅酸钙（C-S-H）凝胶自身的力学性能、控制氯离子在混凝土孔结构中的传输、延缓钢筋/混凝土界面的锈蚀，以综合提升海工混凝土的耐久性。本项目基于分子动力学技术，模拟氯离子渗入混凝土结构、传输、继而破坏钢筋钝化膜的全过程，探究不同有机聚合物与无机基体（C-S-H凝胶、钢筋）、氯离子在纳观尺度的交互作用机理，并结合基于同步辐射光源的试验表征技术，综合筛选出具备适宜官能团和分子结构的纳米材料，为实际工程中海工混凝土的耐久性提升技术提供理论支撑和材料选择方案。

严酷环境下海工混凝土的耐久性问题日益显著，其中氯离子侵蚀是材料损伤与结构失效的元凶。项目基于分子动力学技术，揭示了纳观尺度上有机物官能团与无机水化硅酸钙基体（C-S-H，混凝土中最主要的水化产物，是混凝土胶凝力的来源）之间的成键吸附理论，明确了聚合物大分子对氯离子传输动力学特性的影响，完善了聚合物和氯离子在钢筋界面的竞争吸附机制，设计并筛选出具备适宜官能团和分子结构的聚合物，从C-S-H凝胶增韧抗裂（隔）、离子传输通道疏水密实（缓）、钢筋表面吸附阻锈（阻）三个层面提高了海工混凝土抗氯离子侵蚀破坏的能力，提出了基于“隔-缓-阻”理念的混凝土耐久性提升理论体系。.首先，揭示了聚乙烯醇（PVA）中羟基官能团与C-S-H中钙离子与硅氧四面体的强交互作用，并通过分子结构设计与插层强化，提升了C-S-H在单轴拉伸条件下的延展性与韧性，有效抑制了微裂纹的扩展，提升了海工混凝土的抗裂能力，隔绝了外界环境中的氯离子与有害介质；继而，分别揭示了含羧基聚合物与硅烷类聚合物对流体中离子传输的抑制作用及其机理，设计了基于羧基聚合物与硅烷的智能流体传输抑制剂，显著降低了水分与氯离子在混凝土中的扩散速率，实现了有害介质传输的有效延缓；最后，揭示了羧基等极性官能团与钢筋钝化膜中的羟基官能团具有强交互作用，使得羧酸、醇胺类阻锈剂分子可紧密吸附在钢筋钝化膜表面，与氯离子形成了竞争吸附作用，有效阻止了氯离子在钢筋表面的快速点蚀。.项目从纳观层面揭示了极性有机官能团与混凝土、钢筋基体间的交互作用机制，为自下而上地调控与优化混凝土材料微结构提供了理论指导，为高性能混凝土离子传输抑制剂、长效性钢筋阻锈剂的研发提供了理论基础，为海工混凝土结构耐久性的提升提供了技术支撑与材料选择。