基于界面微结构调控的固废掺合料组成及混凝土中介质传输行为的优化研究

The interfacial transition zone is expected to exert a significant influence on the transport properties of concrete according to its microstructural features. Modification of ITZ by utilizing solid wastes as mineral admixture with specific intrinsic characteristics is not only able to reduce the environmental pollution and resource waste, but also a key step to improve concrete durability. This project is proposed on the base of the previous study regarding the influence of solid wastes on transport properties of concrete. Through employing advanced testing techniques, theoretical model and mathematical methods, this study would put forward a comprehensive method involving sample preparing, measurement, calculation and analysis, to determine the thickness, porosity, interconnection, and other microstructural features within ITZ quantitatively. The method of decoupling the transport properties as a function of multiple variables including bulk cement matrix, ITZ and microcracks will be investigated in terms of ITZ microstructure. Investigation on the ITZ microstructure modification mechanism by using solid wastes will also be carried out, which is helpful to explore the method of mineral admixture composition optimization from the point of view of ITZ. This study will also provide the technical basis for resourceful utilization of solid wastes to match the microstructure of ITZ and bulk cement matrix, and improve their properties simultaneously. The completion of this project would lay a solid theoretical and practical foundation for modifying concrete performance, enriching and consummating the basic theory of cement-based materialogy, utilizing solid wastes more efficiently.

针对界面过渡区（ITZ）微结构特征及其对混凝土中介质传输行为的重要性，综合考虑固体废弃物的本征特性对其进行调控不仅可减少环境污染和资源浪费，更是提升混凝土耐久性的关键。本项目在深入探索固废对混凝土传输性能影响的基础上，拟采用现代测试分析技术，结合理论模型构建与数学方法探索，研究并提出可用于定量表征ITZ微结构（空间尺度、孔隙率、孔径分布及连通性等）与三维结构的从试样制备、参数选择、测试到计算和分析的全过程研究方法；在基体、ITZ及微裂缝等多变量同时存在条件下对传输性能这一目标函数进行解耦，揭示ITZ对介质传输行为的影响机制；研究不同固废作掺合料对ITZ微结构作用机理，探索基于ITZ微结构调控的掺合料组成设计方法，提出以ITZ与基体微结构相互匹配和性能协同提升为目标的固废处置利用技术依据；为指导混凝土材料改性，丰富和完善混凝土材料科学相关基本理论、高效利用固体废弃物奠定必要的理论和实践基础。

低介质传输性是长寿命混凝土材料的基本属性。混凝土这一多相复合材料中集料和基体间桥梁，界面过渡区（ITZ）由于尺度较小、组成复杂、非均质性高并且难以独立研究等特点，成为混凝土传输性能研究的瓶颈之一。如何提高ITZ密实度并降低传输性，搞清介质在其中的传输过程并采取优化措施，成为提高混凝土材料耐久性并延长结构服役寿命的重要环节。本项目针对ITZ微结构特征，复合利用石灰石粉、粉煤灰等多源固废物化特性进行胶凝材料组成设计，通过多维量化表征方法，系统分析了胶凝材料体系对孔隙结构、物相组成的影响规律，得到适于优化ITZ微结构的胶凝材料组成设计方法，提出可用于定量、科学表征ITZ微结构的从试样制备、测试、分析和计算的全过程研究方法；通过比对不同集料特性、掺量及粒径分布试样的传输特性，建立ITZ与气体渗透系数、毛细孔吸水率、氯离子自然状态以及电场作用下扩散系数之间的关系，揭示ITZ对不同扩散机制的作用规律，并将ITZ效应与微裂缝、基体密实、传输路径迂曲及逾渗进行解耦，在不同驱动力作用下获得混凝土中ITZ部分传输特性；研究不同固废对ITZ微结构和混凝土力学及传输性质的影响规律，通过比较采用不同体积掺量和颗粒级配骨料混凝土性能改善效果，指明固废作掺合料对ITZ改善作用在整体性能提升过程中的权重作用；综合建立ITZ对硫酸根侵入物理-化学模型，结合劣化不同产物在ITZ和基体中的分布特点，得到考虑ITZ作用的混凝土中硫酸盐侵入过程，构建了ITZ与性能劣化过程的数值关系，阐明ITZ和基体微结构对混凝土在硫酸盐作用下损伤劣化过程中所产生的作用。相关成果共在国内外期刊发表论文13篇，申请专利3项。对指导水泥基材料改性，丰富和完善水泥基材料科学的相关基本理论，具有重要的理论意义和实际应用价值。本项目的研究还有益于科学拓展固体废弃物在水泥基材料中资源化利用，对建筑材料行业可持续发展起到积极推动作用。