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再生混凝土多重界面区离子传输机制与强化效果评价

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

高嵩

项目受资助机构

青岛理工大学

立项年度

2019

立项时间

未公开

项目编号

51978353

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

60.00万元

学科

工程与材料科学-建筑与土木工程-工程材料

学科代码

E-E08-E0805

基金类别

面上项目

关键词

再生骨料强化 ; 再生混凝土 ; 离子传输机制 ; 多重界面区 ; 分形维数 ;

参与者

朱亚光；米龙飞；熊传胜；胡晓霞；刘海宝；侯双明；宋丽娜

参与机构AI

青岛理工大学

项目标书摘要：再生混凝土具有新旧水泥浆体界面和骨料—浆体界面构成多重薄弱界面区，严重影响再生混凝土力学和耐久性能。再生混凝土多重界面区的结构极其混沌复杂，具有高度不确定性，很难采用传统的欧式几何维数来准确描述。本项目引入分形维数和逾渗模型等非线性科学方法，量化分析多种因素对再生混凝土多重界面区性能的影响作用。利用数字图像技术对界面区结构进行界定与描述，将界面区微观结构与再生混凝土宏观性能建立明确的函数关系；利用逾渗模型建立考虑再生混凝土多重薄弱界面结构的离子传输数学模型，研究相应的表征方法，揭示复杂界面结构对离子介质传输的影响机理；将微生物沉积和硅基纳米微粉浆用于强化再生骨料，建立以分形维数为指标的再生骨料强化和多重界面区改善效果的评价机制，为再生骨料和再生混凝土实际生产应用奠定理论基础。研究有益于提升再生混凝土理论研究，推动再生混凝土高品质应用，对于资源保护、环境保护和人类社会可持续发展具有重要意义。

Application Abstract: Multiple interfacial zones between new mortar and old mortar or between recycled aggregate and mortar dangerously influence the mechanical performance and durability of recycled concrete.The highly uncertainties of chaotic and complex structure in multiple interfacial zones are hardly described by classical Euclidean geometric method.Therefore,the complex nonlinear methods including fractal dimension and percolation model are introduced in this proposing project to quantitatively study the factors,which influence the ITZ performance.Subsequently,the multiple ITZ structure is described and discriminated by means of digital image technique,and then the functional relation is installed between multiple ITZ structures and recycled concrete performance.Ionic transport model of multiple interfacial weak zones is established based on percolation model.Therefore,the influences and characterization on ionic transport mechanism by ITZ structures are discovered.Eventually,bacteria precipitation method and Nano-clay slurry are employed to strengthen the recycled aggregate,and an objective evaluation mechanism of aggregate quality and repair result for recycled concrete is established with fractal dimension index,it’s helpful to improve the production and application of recycled aggregate and recycled concrete..The study will enrich the fundamental theory and promote high quality application of recycled concrete,and provide great significance for resource protection,environment protection,and sustainable development.

项目受资助省

山东省

项目结题报告(全文)

再生混凝土具有新旧水泥浆体界面和骨料—浆体界面构成的多重薄弱界面区，严重影响再生混凝土力学和耐久性能。作为典型的非均质复合材料，细观、微观局部应力或腐蚀造成的连续损伤过程是再生混凝土破坏的本质。结构疏松薄弱的多重界面区是腐蚀和微应力破坏的重灾区。以往通过宏观唯象分析方法虽然可以得到与实验结果相贴合的结论，但仅能反应特定条件下的材料破坏特性，对内在破坏机理不能准确描述。因此，考虑到再生混凝土非均匀性，本项目引入分形维数和逾渗模型等非线性科学方法，量化分析多种因素对再生混凝土多重界面区性能的影响作用。借助显微观测手段和数字图像技术对界面区结构进行界定与描述，通过相应的表征方法对比评价参数特征。利用逾渗理论对界面区微观结构与再生混凝土宏观性能的相关性进行研究；建立再生混凝土内部的离子传输模型，揭示复杂界面结构对离子介质传输的影响机理；采用微生物沉积和硅基纳米微粉、煅烧高岭土等强化手段处理再生骨料和再生混凝土，建立以分形维数为指标的再生骨料强化和多重界面区改善效果的评价机制。.本项目经过四年的研究，完成了计划书中各项任务，超额完成预期的研究成果。本项目共计发表学术论文30篇，其中SCI收录19篇，中文EI和核心收录11篇；撰写并出版2部专著；申报专利9项，已授权发明专利4项，授权实用新型专利1项，进入实审阶段4项；申报并获得软件著作权1项；利用区域异色定位再生混凝土不同类型的界面过渡区，丰富了再生混凝土多重薄弱界面区研究方法，揭示了多重薄弱界面结构对离子介质传输的影响机理。参加了7次本领域内的国际和国内学术会议；培养硕士研究生6名，其中4名研究生获得研究生综合奖学金；研究成果还获得宁夏自治区科学技术进步奖二等奖等7项荣誉。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.拜耳法赤泥基地聚合胶凝材料制备非烧结尾矿砖研究

    • 关键词：
    • 拜耳法赤泥;地聚合物;激发活化;养护制度;水灰比;灰砂比;非烧结尾矿砖
    • 侯双明
    • 指导老师：青岛理工大学 高嵩
    • 学位论文

    赤泥是生产氧化铝过程中排出的红色淤泥状残渣。随着氧化铝的生产,产生的赤泥数量不断增加。赤泥成分复杂难以利用导致了大量的堆存,这不仅产生了大量的管理成本,而且造成环境污染威胁到人的生存与发展。本文在国家自然科学基金（51978353）的资助下完成。以拜耳法赤泥为主要原料,利用石油焦渣、电石渣和高贝利特水泥对拜耳法赤泥改性作用,制备赤泥基高活性粉体。然后使用热活化、机械活化和化学活化对赤泥基复合粉体进行激发活化,掺加辅助材料制备地聚合物。在此基础上,研究了不同龄期、养护制度、水灰比和胶砂比赤泥基地聚合物胶凝材料的性能。最后利用赤泥基地聚合物制备非烧结尾矿砖。主要包括以下几个方面:（1）石油焦渣单独掺加40%对拜耳法赤泥粉体具有较好的改性效果,制备的胶砂试件28d抗压强度为9.5MPa。电石渣单独对拜耳法赤泥改性效果较差,但电石渣与石油焦渣复合改性拜耳法赤泥制备胶砂试件可以得到较好强度。当拜耳法赤泥、石油焦渣和电石渣固相质量比为7:2:1,制备的胶砂试件28d抗压强度为11.0MPa。（2）将拜耳法赤泥、石油焦渣和电石渣混合进行煅烧,保持600℃煅烧180min,添加30%矿渣制备胶砂试件28d抗压强度为27.0MPa。比较高贝利特水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰和矿渣四种辅助性胶凝材料。矿渣与拜耳法赤泥粉体复合激发可以得到较高的早期强度和稳定的后期强度。当拜耳法赤泥粉体、矿渣、石油焦渣和电石渣的固相质量比为49:30:14:7时,制备的胶砂试件28d抗压强度为22.4MPa。（3）将赤泥、矿渣、石油焦渣和电石渣按49:30:14:7比例混合作为胶凝材料,按照胶砂试验制备赤泥基地聚合物。制备的胶砂试件抗压强度随龄期增长不断提高。1d抗压强度可以达到28d抗压强度的63%,3d抗压强度达到28d强度的71%,7d抗压强度达到28d强度的84%。浸水养护和密封养护试件的28d抗压强度较高,抗压均高于26.0MPa。胶砂试件的水灰比对抗压强度有很大影响,水灰比为0.4试件的28d抗压强度为35.1MPa。灰砂比1:1,水灰比0.3的胶砂试件28d抗压强度为43.4MPa。（4）使用拜耳法赤泥基地聚合物制备免烧砖。最终确定胶凝材料中赤泥为49%、石油焦渣为14%、电石渣为7%、矿渣为30%,胶砂比为1:3,水胶比为0.5。制备的赤泥基非烧结尾矿砖28d抗压强度为21.8MPa,吸水率为8.4%,干燥收缩值为0.05%,浸水4d后强度未降低,经历25次冻融循环后质量损失为0%,强度损失为9.05%,各项性能均满足《非烧结垃圾尾矿砖》（JC/T422-2007）中MU15等级要求。利用拜耳法赤泥、石油焦渣、电石渣、矿渣和河砂制备非烧结尾矿砖。赤泥不需要高温煅烧和添加化学试剂可以得到较好性能的免烧砖。消耗了大量赤泥,推动铝工业发展,开发了赤泥的潜在经济价值。

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  • 2.矿物掺合料对再生混凝土界面过渡区微结构影响研究

    • 关键词：
    • 再生混凝土;矿物掺合料;抗压强度;显微硬度;界面过渡区;孔结构
    • 班顺莉
    • 指导老师：青岛理工大学 高嵩
    • 学位论文

    随着城市化进程的不断加快,废旧混凝土产量与日俱增,这些建筑垃圾的处理方式通常以堆放填埋为主,使生态环境发生严重破坏并造成自然资源的进一步枯竭。对废旧建筑垃圾重回收利用对建筑业的可持续发展和环境改善具有双重意义。近年来,世界各国都在加强废旧混凝土再生利用的技术研究,再生混凝土技术已成为国内外学者共同关注的热点和前沿课题。然而由于制造工艺及附着砂浆等因素,使再生骨料内部充斥着孔洞、微裂缝及薄弱的界面过渡区,且存在低比重、高吸水率、低表观密度等缺陷。因此,与天然混凝土相比,由再生骨料制备的再生混凝土工作性、密度、抗压强度及抗渗性能均显著下降。为了探究再生混凝土的劣化机理,改善再生混凝土的力学及耐久性能,本文以粉煤灰、矿粉、硅灰为增强材料对再生混凝土进行改良。从微观的角度出发,利用区域异色定位区分再生混凝土不同类型的界面过渡区（ITZ）,并结合扫描电镜（SEM）、背散射电子成像（BSE）、压汞测试（MIP）、显微硬度测试及热重分析等微观技术观测ITZ性能随掺合料掺量的演变,揭示掺合料改善再生混凝土性能的反应机理。在国家自然基金的资助下,进行了以下研究工作:1.研究了矿物掺合料对再生混凝土抗压强度、抗氯离子渗透性能及抗冻性能的影响。结果表明:粉煤灰掺量越高,再生混凝土的早期强度发展越缓慢,随着龄期的增加抗压强度逐渐上升。矿粉对再生混凝土抗压强度的改善较显著且优于粉煤灰,抗压强度随掺量先增后减,掺量为30%时强度提升最明显。硅灰对再生混凝土抗压强度的改善效果最佳。矿物掺合料可以增强再生混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能。氯离子渗透系数随着龄期的增加而降低。2.对再生混凝土试样切片、抛光后,使用显微硬度仪测试再生混凝土界面结构的维氏硬度,每个界面过渡区进行102次硬度测试,根据硬度分布图像来表征再生混凝土界面过渡区结构特征。结果表明:龄期为28d时,粉煤灰对再生混凝土ITZ的显微硬度影响不明显,这主要与其活性低有关。矿粉可以增加再生混凝土ITZ显微硬度,降低ITZ宽度,改善再生混凝土的多重界面区结构。硅灰对ITZ的改善效果最佳,ITZ宽度最低,显微硬度最大。与新老砂浆ITZ相比骨料新砂浆ITZ结构更密实,宽度较小,显微硬度较高。3.利用扫描电镜和热重技术分析了再生混凝土界面过渡区结构形貌及水化产物的变化。结果表明:未加掺合料的再生混凝土ITZ结构疏松,内部存在较多孔隙,部分孔隙呈连通状态,且有较多片状Ca（OH）2富集。掺入矿粉和硅灰后再生混凝土的ITZ结构较致密,矿粉和硅灰的火山灰活性可与水泥水化产生的Ca（OH）2发生二次水化反应,生成范德华力更高的C-S-H凝胶,填充ITZ孔隙,增强ITZ性能。粉煤灰的可以很好的填充再生混凝土ITZ的空隙,但水化反应缓慢,内部仍存在较多未完全反应的粉煤灰颗粒。4.采用压汞测孔法测试了再生混凝土水泥石的孔结构参数,并利用背散射电子成像技术计算了ITZ孔隙率,定量表征掺合料对再生混凝土水泥石及ITZ孔隙性能的影响。再生混凝土水泥石的大孔和毛细孔含量较多,矿物掺合料可以降低水泥石的孔隙率,提升凝胶孔含量。ITZ的孔隙率随距骨料表面的间距增大而逐渐降低,掺合料可以降低ITZ孔隙率,增加ITZ的密实程度。ITZ的孔隙率与显微硬度有很好的相关性,ITZ孔隙率是影响显微硬度的重要因素。与骨料新砂浆ITZ相比,新老砂浆ITZ的孔隙率更低。

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