低翘曲水泥混凝土路面板骨料-石墨烯导热网链构建方法研究

Temperature gradients caused curling stress and traffic induced load stress are the main reasons for the cracking and failure of concrete slabs applied in road, runways and slag-free track slabs. There is a great engineering significance to reduce the thermal stress and thermal curling via the increase of concrete thermal conductivity, however, few researchers noticed this problem. It’s the original idea to converse the unidirectional temperature gradient through slab depth into spatial directional temperature gradients to fulfill low-curl slab. It’s the frontier problem to enhance heat transfer ability of composites based on Percolation theory. The applicants propose to introduce the Percolation theory into the modification and enhancement of mortar and concrete material inspired from the previous studies. This project will further focus on the disperse behavior of graphene oxide (GO) in the Interfacial Transition Zone(ITZ). Micro and macro experiments, mesoscopic numerical simulations will be conducted to identify the interaction law of GO, concrete admixtures and dispersants; reveal the effects of GO on hydration kinetics of cement; propose the spatial distribution control methods for low volume GO; characterize the forming theory of aggregate- grapheme heat transfer network. Generally, the work of this project will lay a solid theoretical foundation for the original design idea and construction of concrete pavement with low-curl slabs.

温度翘曲应力与荷载应力的共同作用是水泥混凝土路面、机场道面以及高速铁路无渣轨道板等混凝土面层板产生断裂破坏的主要原因。如何提高混凝土的导热能力实现对混凝土板温度翘曲应力和翘曲变形量的双重降低具有重大工程意义，目前很少有学者关注这一问题。本项目首次提出通过混凝土导热增强将沿混凝土板厚度单一方向的温度梯度转化为空间多方向随机分布的温度梯度这一思路。申请人基于前期研究发现氧化石墨烯的加入能够改善水泥砂浆和混凝土的热力性能。本项目将进一步聚焦氧化石墨烯在混凝土界面过渡区的分散行为，通过系统的微观、宏观试验和细观数值模拟从理论上明确氧化石墨烯官能团、减水剂官能团与分散剂的相互作用机理，诠释氧化石墨烯对水泥水化动力学过程的影响机理，提出低掺量氧化石墨烯空间分布控制方法，攻克构建骨料-氧化石墨烯导热通道等基础理论难点，为低翘曲水泥混凝土路面结构设计思想与施工控制提供科学支撑。

温度翘曲应力与荷载应力的共同作用是水泥混凝土路面、机场道面以及高速铁路无渣轨道板等混凝土面层板产生断裂破坏的主要原因。本项目提出通过混凝土导热增强将沿混凝土板厚度单一方向的温度梯度转化为空间多方向随机分布的温度梯度，具有首创性。研究内容涉及导热逾渗理论、 纳米材料、电化学、水化动力学、数值模拟、优化理论等多学科内容，理论分析、微观细观宏观试验系统研究与关键算法的程序实现，并取得如下结论：. （1）相同外加剂当做分散剂使用时，在碱性环境下会发生分散能力下降的问题，水系条件下表现优异的材料碱性下效果未必最佳，离子携带的电荷电性会随pH值变化产生变异性。（2）通过经时稳定性可以发现未加入分散剂的试样，大部分石墨烯沉降到容器的底部，溶液呈现浅灰色，现象表明石墨烯具有较强疏水性。（3）石墨烯分散液的稳定性评价可以通过分光度计法、静置法和电阻法进行综合评价，吸光度越高，分层越缓慢，电阻率越低增长约缓慢，石墨烯的分散越好。 （4）掺入石墨烯的硬化水泥净浆能谱分析试验结果表明石墨烯在水泥净浆试件水平方向不同断面间分布均匀性较好变异系数为0.095。而在断面内随深度增加成少量递减形式，变异系数增大。（5）在水泥基体中填料分散结构的差异对整个材料的导热系数有影响。通过在水泥基体中添加石墨烯片，热导率得到了提高。并且，均匀分散的石墨烯片都能比不均匀分散的石墨烯片更有效地提高热导率。（6）随着石墨烯掺量的增加，水泥混凝土的热感应能力增强，升温速率提高。但是石墨烯掺量为 10% 时，混凝土导温能力较高，实验时坍落度下降的幅度较大；混凝土搅拌易出现石墨烯肉眼可见富聚成团现象。（7）石墨烯可以提高混凝土的导热系数，石墨掺量越多，混凝土导热系数越大，是因为石墨的比重增大时，形成了导热通道。 （8）石墨烯与钢纤维或钢丝绒可以提高混凝土的导温能力，是因为多相复合可获得单相复合所不能及的导温效果，形成了多条连续的导热通道。（9）单一温相掺量低对混凝土的热感应能力影响甚小，原因是热不良导体的水泥浆裹附使良性导温材料形成的导温链处于孤立状态，热量不能流畅传递。（10）良性导温外掺料对水泥混凝土热感应性能具有一定程度上的影响，但是其最佳掺量需要通过水泥混凝土其他力学性能来进一步确定。（11）基于石墨烯材料，提出了自适应、自调节的大体积混凝土温度控制方法。