《基于产物演变及微结构调控的低碳胶凝材料性能提升原理》

该项目属于无机非金属建筑材料领域。

提高铝硅质固废水化活性,实现其大掺量利用,是国内外密切关注的前沿和热点;另一方面,水泥基材料与混凝土微结构优化、力学性能及耐久性能提升仍是国内外混凝土材料发展亟待解决的关键科学问题。在国家自然科学基金项目支持下,开展低碳胶凝材料制备、形成机理及性能提升的系统研究,提出通过复合激发剂、再生脱水相、矿物掺和料、无机插层材料及有机纤维与聚合物等组分实现胶凝材料与混凝土性能提升,建立了低碳胶凝材料体系组成、结构与性能之间的关系,发展了基于水化产物演变及微结构调控的低碳胶凝材料性能调控理论,利用微结构表征结合计算机模拟技术揭示了胶凝产物形成及微结构发展的经时演变特性,阐明了力学性能与耐久性能提升的内在机制与微观本质。主要科学发现如下:

1、利用工业固废高铝粉煤灰及其提铝残渣优化制备低碳碱激发胶凝材料,揭示了硅-铝-氧四面体解聚和再聚合规律,阐明了高活性粘土矿物提升胶凝材料抗高温、抗酸侵蚀性能的调控机理,基于表面疏水改性构建了内外协同的化学侵蚀防御体系,阐释了材料表界面基团键合作用机制。

2、论证了建筑垃圾胶凝材料的有效再利用可行性,基于粉磨-高温活化-超声分散协同活化再生脱水相,明确了矿相重构热力学规律,探明了再生脱水相对矿物掺和料活性激发的作用规律,揭示了再生脱水相对水泥水化程度与微结构发展的调控机理。

3、利用矿物掺和料改善了硬化水泥石热膨胀性能,协同优化了混凝土组分的热相容性,提升了混凝土高温稳定性。探明了矿物掺和料复合优化混凝土孔结构及界面过渡区的作用规律,从水化产物稳定性的角度揭示了矿物掺和料提升混凝土力学性能的微观本质。

4、发展了无机插层材料LDHs调控水泥混凝土抗阴离子化学侵蚀的新理论,提出了基于结构重建与记忆效应的孔溶液离子演变机制,从水化产物演变与转化的角度论证了LDHs材料固化阴离子的热动力学可行性,为提升水泥混凝土复杂盐侵蚀环境下耐久性能提供了新思路。

5、基于聚酯纤维和SBR乳胶复合改性水泥混凝土微结构与力学性能,揭示了SBR成膜作用机理及优化界面过渡区显微结构的演变规律,阐明了纤维与聚合物的耦合作用机制。

上述成果揭示了物相-结构-形貌-性能耦合调控机制,为低碳胶凝材料的力学性能与耐久性能提升提供了普适性的方法和理论基础,深化了无机非金属建筑材料基础科学理论,为混凝土材料向绿色、低碳、高性能化方向发展提供了科学依据。8篇代表性SCI论文均发表在混凝土材料领域权威期刊上,总引次数293,其中SCI总引次数277,SCI他引次数229。国内外学者在论文中大面积引用研究思路和基本原理,得到了正面评价和肯定。受邀在硅酸盐学会、中国建筑学会等组织的学术交流大会作报告十余次,形成学术影响力。

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