超高性能地聚物混凝土的组成设计和稳定性提升基础理论研究

Ultra-high performance concrete is a new cement based materials with high strength and excellent durability, which plays an important role for our future national infrastructural development. The issue with manufacturing of Portland cement based ultra-high performance concrete is the heavy environmental costs, and to address this, we propose using geopolymer to replace Portland cement and prepare ultra-high performance geopolymer concrete (UHPGC). This proposal combines the advantages of utilizing the high early strength and anticorrosion characteristics of geopolymers and lowing the energy consumption and CO2 emission of processing. Given the complexity of raw materials of geopolymers, we plan to establish a reactivity assessment method for the materials selection through investigation of mineral composition of blast furnace slag and phosphorous slag etc. Based on the dense packing theory, we will prepare a series of strong UHPGC binders with low porosity. We will elucidate the microstructural evolution of reaction products of UHPGC under various curing and activator conditions, improve the ordering of products at a molecular lever through nano-hydrotalcite seeding, and clarify the effects of these compositional characteristics, together with carbonation-loading coupling impact, on shrinkage, carbonation and ionic mobilization, so as to feedback the composition and process design for the improvement of long-term stability. Based on the interface mechanics and microstructure we will explain the reinforcement and toughening mechanisms of steel fibers, and establish the constitutive relationships of UUPC under different loading conditions. The findings of this project will serve as the scientific and theoretic basis for preparation and application of UHPGC.

超高性能混凝土是一种高强高耐久的新型水泥基材料，是面向未来的重要工程材料。本项目提出用地聚物替代硅酸盐水泥，制备超高性能地聚物混凝土（UHPGC）, 既能充分利用地聚合物本身早高强、耐腐蚀属性，又能降低材料制造能耗与CO2排放。针对地聚物原料来源复杂的问题，通过研究矿渣、磷渣等矿物组成，建立评估活性、选择原料的方法，在无减水剂条件下由原料颗粒尺寸分布，基于多级颗粒紧密堆积理论配制出低孔高强UHPGC浆体，阐明不同养护和激发剂条件下UHPGC反应产物微观结构演变，通过纳米水滑石诱导结晶法增强水化产物分子尺度的有序性，探清微观结构与荷载-碳化耦合作用对收缩、碳化、离子迁移等性能的影响，以此反馈组成设计和工艺控制，提高UHPGC长期稳定性。基于界面力学和微观结构提出钢纤维增强增韧机理，由不同荷载状态下的断裂破坏行为获得UHPGC本构关系，以上为UHPGC制备和应用提供科学理论依据。

超高性能混凝土本身因为普通硅酸盐水泥生产高能耗高排放而成为一类高环境负荷材料，本项目中，我们利用地聚合物取代硅酸盐水泥，成功制备了具有显著的环境优势的超高性能地聚物混凝土（UHPGC）。我们系统地研究了矿渣组成对反应动力学和产物的影响，对SiO2、Al2O3、CaO、MgO影响进行了热力学模拟研究，发现了它们的含量与早期产物组成和本征孔隙率的关系，进一步与强度关联，建立了评估活性、选择原料的方法。对硅灰溶解与地聚合物流变性之间的关系进行了深度研究，提出了满足多性能要求的UHPGC胶凝材料和激发剂组成范围，在此基础上研究了钢纤维的种类与含量对于UHPGC的新拌性能以及基本的力学性能（抗压、抗折、抗拉强度）的影响，最终确定了UHPGC优良的组成设计范围：即当激发剂模数为1.5或2.0时，矿粉掺量为70%-85%，粉煤灰掺量为10%-20%，硅灰掺量为5%-20%时，在该胶凝材料组成范围内，砂浆基本满足高流动度、合理凝结时间和不同养护条件下高强度等多项性能要求；当短直纤维掺量不大于0.4%，中直纤维掺量在0.4%-2%，长直纤维用量为0%-1.7%时，UHPGC可满足抗压强度大于150 MPa、抗弯强度大于18 MPa、峰值拉伸强度和应变大于5 MPa和1500με等多种力学性能指标。我们完成了UHPGC力学性能的系统评价，提出了适用于UHPGC的相关经验模型，建立了各钢纤维比例与UHPGC工作性能和力学性能的数学关系，阐明了硅灰和钢纤维耦合作用下，UHPGC的流动度、抗压强度、弯曲和直接拉伸性能等各本构模型。我们研究了地聚合物的碳化、氯离子传输与结合性能、耐硫酸盐以及耐酸腐蚀性能，揭示了地聚合物中类水滑石相形成对于地聚合物相关产品体积稳定、抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性的重要性，提出了利用煅烧水滑石来改性地聚合物微观结构，并探明了地聚合物中诱导结晶的条件。我们观测了长龄期的地聚合物离子传输与微观结构之间的关系，证明了地聚合物的稳定性，为UHPGC的制备和未来应用提供了基础理论。