973项目申报书——2009CB623200-环境友好现代混凝土的基础研究

项目名称：环境友好现代混凝土的基础研究首席科学家：李宗津东南大学

起止年限：2009.1至2013.8

依托部门：江苏省科技厅教育部

一、研究内容

环境友好建筑材料的基本要求是低污染、低能耗及高性能。现代混凝土的发展实现了辅料（主要是工业废渣）的充分和高效利用，降低了环境污染，节约了能源和资源，同时大幅度的提高了抗压强度与流动性。从这一观点出发，现代混凝土属环境友好的建筑材料。但是现代混凝土又具有胶凝材料用量大，组分复杂，水胶比低的特点，早期易开裂，为有害物质侵入创造了条件，导致了其性能的严重衰减，甚至过早地退出服役，造成大量的经济损失、能源与资源的严重浪费及大量废弃物的污染。因此，要真正实现现代混凝土的环境友好，必须有效地提高现代混凝土的服役寿命。

关键科学问题一：现代混凝土微观结构形成机理及其与宏观性能的关系

现代混凝土结构的服役性衰退是一由材料到结构的渐进过程。对这一过程的正确描述依赖于对现代混凝土从微观到宏观的科学认识。在现代混凝土的组分中，水泥基胶凝材料起着将其它组分固结在一起的重要作用。胶凝材料在水化过程中形成的微结构是现代混凝土的基因，其分布与组合影响着现代混凝土的各项宏观性能。因此，探讨现代混凝土复杂的硬化浆体微观结构形成机理并提炼其微结构模型是本项目的重大科学问题。围绕这一科学问题，本项目将展开水泥熟料组成与水化活性关系的研究，水泥熟料组成与结构优化的研究，特别要研究高胶凝性水泥熟料与辅料复合优化，各组分对微结构形成的影响，组分之间的交互作用，水化速率与水化度对微结构的影响，提炼现代混凝土的微结构模型，研究微结构形成的诱导与控制途径。总之，通过先进测试技术及高效计算机模拟等研究手段，探索现代混凝土材料微结构形成机理。通过掌握微结构形成机理，研究微结构的优化理论，实现按终端用途对现代混凝土进行材料设计的飞跃。

建立现代混凝土的微结构模型之后，我们需要将其与宏观性能有机的联

系起来。围绕这一目标，我们将探讨微结构对现代混凝土弹性系数的影响，确

定典型的代表性体积单元，通过多尺度过渡途径，确定微结构与宏观本构之间

的联系，建立力学宏观本构关系及基于多孔介质力学的混凝土传输本构关系。

关键科学问题二：现代混凝土在化学-力学因素耦合作用下微结构的演化

与损伤机理

现代混凝土服役过程中既承受荷载（静载,动载）又经受环境的双重和多

重作用，大量的混凝土结构的过早失效是环境作用诱发混凝土内部化学演变和结构承载力下降双向作用的结果。其研究内容包括：建立多孔介质理论与热动力学框架下的化学作用向力学作用转化平台，不同组合形式的化学-力学因素耦合作用下微结构的演变和微裂缝形成的驱动力，化学-力学耦合作用下材料硬化/软化表征，及基于多重因素作用下混凝土材料的损伤本构模型、化学-力学耦合作用下的材料损伤模型。此研究将允许化学反应的动力学直接进入到材料的宏观水平。

关键科学问题三：复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论

混凝土结构在服役过程中经受着复杂的环境作用，其劣化过程包括微结构的演变、裂缝的发展乃至结构的失效，经由材料层面逐渐发展到结构层面。服役寿命设计理论必须综合考虑上述因素。本项目将从混凝土材料、混凝土构件、混凝土结构三个层次出发，充分揭示现代混凝土在相应层次上微结构的演变对钢筋混凝土结构服役寿命的影响，建立荷载和环境因素作用下钢筋混凝土结构的时效关系，揭示材料和环境互动机制对混凝土结构服役寿命的影响规律，提出相应的控制参数与设计准则，最终建立复杂环境作用下现代混凝土结构服役寿命设计理论框架。

最后，本项目将根据现代混凝土结构服役寿命需要和现代混凝土微结构优化理论的指导, 对现代混凝土服役性能的提升技术进行研究。其内容有：现代混凝土微结构工程学理论基础，现代混凝土原位增韧机理，研究高减水、低收缩以及同时具有阻锈功能的多功能耐久性改进材料的结构构建与合成，二元超双亲性迁移型表层强化材料的功能构筑及其迁移聚集机理研究，并将研究成果应用于实际工程。

二、预期目标

1、总体目标

本项目将站在实现国家节能降耗与可持续发展的战略高度，运用纳米科学的新思维与高精尖的现代测试及模拟技术，把现代混凝土的研究纳入科学轨道，从源头上对现代混凝土的微观表现与宏观性能进行系统的研究，从本质上建立起其微观与宏观之间的有机关系，揭示现代混凝土在环境与荷载多重因素耦合作用下的服役性能退变机理，发展现代混凝土结构服役寿命设计理论，完善与推动现代混凝土微结构工程学的发展，并用其指导现代混凝土长寿命化设计，以保障我国重大工程的安全建设和有效运营，实现土木工程领域节能、节资、减轻环境负荷的目标，达到环境友好之目的。开发新一代高韧性、高抗拉、高抗裂的混凝土材料，开创现代混凝土材料与结构研究的新纪元，提升我国现代混凝土科学和技术基础研究的原始创新能力，引导国际混凝土的发展方向。

2、五年预期目标

(1) 深入研究现代混凝土微结构形成的机理与微结构结合力的组成，提出能高度抽象而又反映实际的微结构模型；

(2) 建立现代混凝土在微观层次的性能特点与其工程宏观表现的有机联系，使其在本构关系及其化学-荷载互动关系中得到体现；

(3) 利用建立的微观结构与宏观性能关系，揭示现代混凝土在力学与环境多重因素耦合作用下的性能退变机理和服役机制；

(4) 创建符合我国国情、推动经济发展并与其相适应的现代混凝土结构服役寿命设计理论框架；

(5) 完善与推动现代混凝土微结构工程学的发展，并用其指导现代混凝土服役性能的提升技术，实现我国现代混凝土科学和技术基础研究的原始创新能力的腾跃；

(6) 在现代混凝土的研究领域取得一批国际领先的原创性成果，总体上达到国际先进水平，部分达到国际领先水平，使我国现代混凝土的研究跨入世界先进行列。力争在建立新的体系的同时，使现代混凝土的抗拉强度与抗压强度比提高30%以上，韧性比传统混凝土提高2倍以上，断裂韧性提高到3~5MPa m1/2，大幅度提高现代混凝土结构的服役寿命，降低水泥熟料用量50%以上，减少相关矿物