生态纳米超高性能混凝土的制备与应用基础

The construction of special project, the degradation control of concrete bridges and the innovation of structural system highlights the demands for ultra-high performance concrete (UHPC) which is characterized by ultra-high strength, toughness and durability. However, the application of UHPC in engineering project is still limited due to the shortage of existing technologies and also the high cost of nanometer modification. In this project, firstly, Ecological Nano Ultra High Performance Concrete (ENUHPC) will be prepared by adding nanoparticles with high chemical activity which come from solid wastes and low grade resources. Then, in order to understand the synergistic mechanism between nanometer materials and complex cementitious materials, the microstructure design mechanism of ENUHPC, the static and dynamic constitutive relation of ENUHPC, and the failure mechanism of ENUHPC, the research will be mainly focusing on the following aspects: “preparation of ecological nano particles and its working mechanism”, “preparation technology and mechanism of ENUHPC”, “long-term performance of ENUHPC”, and “structure design and demonstration of ENUHPC”. Finally, the successful implementation of this project will generate the key preparation and application technology of ENUHPC, therefore realizing the large-scale, low-cost and high-efficient production of ecological nano particles, the preparation of non-autoclaved concrete product with compressive strength of 300MPa and cast-in-situ ENUHPC with compressive strength of 150MPa and tensile strength of 10MPa, and also the formation of new structure system for ENUHPC and its application.

特种工程建设、混凝土梁桥病害控制和结构体系创新急需具有超高强、超高韧和超高耐久特性，便于工程应用的超高性能混凝土，常规技术难以实现，现有纳米改性技术价格昂贵。项目拟从固体废弃物或低品位资源中获取富含化学活性的纳米粒子作为生态纳米材料，制备生态纳米超高性能混凝土（ENUHPC）。围绕生态纳米材料与复杂胶凝材料的协同作用机制，ENUHPC微结构设计与调控机理，ENUHPC静、动力本构关系与失效机理3个科学问题。从“生态纳米材料制取与作用机制， ENUHPC制备理论与设计，长期服役性能，结构设计理论与工程示范”四个方面对ENUHPC材料与结构进行创新研究。突破ENUHPC制备与应用关键技术，实现生态纳米材料规模化低成本高效制取；制备抗压强度大于300MPa的免蒸压制品，抗压强度大于150MPa、抗拉强度大于10MPa的常规工艺现浇ENUHPC；提出高强钢筋-ENUHPC等新结构体系，并工程示范。

项目针对梁桥病害控制、特种工程建设和结构体系创新的重大需求，提出了从固体废弃物中获取富含化学活性的生态纳米材料制备生态纳米超高性能混凝土（ENUHPC）的创新思路，聚焦亟待解决的生态纳米材料与复杂胶凝材料的协同作用机制、微结构设计与调控机理、静动力本构关系与失效机理等3个科学问题，开展了生态纳米材料制取与作用机制、材料制备理论与设计、长期服役性能、结构设计理论与工程示范4个方面的系统研究，将材料-结构-应用相结合，发展了ENUHPC制备与应用理论及结构设计方法，建立了微结构优化、流动性调控、裂缝控制3项关键技术，发明了系列功能性ENUHPC及其核心材料，提出了3类ENUHPC结构新型式，解决了ENUHPC免蒸养与规模化应用难题，实现在防护工程、组合桥面板等工程应用。取得了如下创新成果：（1）提出了生态纳米材料制备改性方法，实现规模化、低成本、高效制取；发明了生态纳米复合增强材料及其微结构调控技术，实现了常温条件下混凝土的超早强、超高强，制备出免蒸压抗压强度达300MPa以上的ENUHPC，突破了国际上UHPC原材料和工艺的限制。（2）提出了微纳米材料优化选择吸附的极低水胶比浆体粘度调控新方法，降低粘度50%以上；发明了具有强极性链棒状聚合物和端钩微细高强钢纤维，制备出抗压强度大于150MPa、拉伸强度大于10MPa、极限拉应变提高10倍的粗骨料ENUHPC，构建了预制工业化应用成套技术，成功应用于南京五桥等重大工程组合桥面板，满足了桥梁轻质化、自动化、规模化的建造需求。（3）建立了基于多场耦合作用的ENUHPC抗裂性评估方法，实现了开裂风险精准预测；提出了基于内养护和膨胀补偿的收缩抑制技术，实现自收缩降低50%以上和结构长效稳定，成功应用于NH岛礁等防护工程，解决了大体积超厚ENUHPC结构裂缝控制难题，显著提升了工程防御能力。（4）建立了ENUHPC静、动力本构模型，及抗弯、抗剪理论分析计算模型与抗侵彻计算方法，提出了钢-ENUHPC组合梁轻型结构，ENUHPC军民用抗爆结构，震损可恢复ENUHPC空心墩结构等新型式，实现了结构体系的重大创新。