拟采取的研究方案及可行性分析.docx

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1、3.拟采取的研究方案及可行性分析（包括、技术路线、实验手段、关键技术等说明）；3.1 研究方案1 .研究方法从水化产物纳米结构、微结构（界面结构和孔结构）及宏观性能（碳化深度、孔隙液PH值、力学性能等）三个层次出发，以普通硅酸盐水泥混凝土为对照组，对不同激发剂（中性钠盐、NaOH、水玻璃、中性钠盐+水玻璃）、不同骨料（天然骨料、陶粒、天然骨料+陶粒）、不同矿渣（酸性、中性和碱性矿渣）的碱矿渣混凝土在常温不同CCh浓度下的碳化性能进行研究，揭示其碳化机理，建立其碳化模型。2 .技术路线力学性能孔结构试验碱矿渣混凝土孔隙液PH值验证理论依据化学热力学计算孔结构数值模拟CO2在混凝土中的扩散系数混凝

2、土自然碳化试验混凝土自然碳化深度碱矿渣混凝土快速碳化和自然碳化的关系图1本项目采取的技术路线本项目在配制碱矿渣混凝土的基础上,进行快速碳化试验、孔结构试验和水化产物分析，通过宏观、微观测试，结合化学热力学计算、有限元仿真，探索CO2在碱矿渣混凝土中的扩散机制、CO2与混凝土水泥浆基体中可碳化产物及空隙液可反应化学成分的反应机制，根据实测的碳化深度、孔结构分布和水化产物等试验数据，研究不同C02浓度下，CO2在混凝土中的扩散系数及C02在混凝土中的吸收量，建立C02在混凝土中扩散的有限元模型，提出碱矿渣混凝土快速碳化模型。根据自然碳化深度、快速碳化深度等试验数据，探索碱矿渣混凝土自然碳化与快速碳

3、化的关系。3 .实验手段碳化深度测试方法参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T50082-2009）试验规定养护到26d之后的立方体试件在60烘箱中烘干2d后,放入二氧化碳浓度（203）%、相对湿度（705）%、温度（202）的环境中碳化，碳化到3d、7d、14d、28d时，分别取出试件，破型后，用浓度为1%的酚儆酒精溶液测定碳化深度。水化产物测定方法本项目测定水化产物采用XRD、NMRoXRD（X射线衍射）技术是通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。不过XRD只适用于测定具有晶体形态的水化产物，而非晶体的无定型结构将通

4、过NMR技术进行测定。通过测定原子的NMR谱，可以从原子层面了解29g、27可、43ca等主要原子在不同条件下的原子形态，从而分析得到此时的水化产物。4 .关键技术基于化学热力学原理结合孔结构数据，数值模拟混凝土的孔结构模型，拟合CO2扩散系数根据化学热力学的基本原理,可以通过计算方法比较水泥硬化体中液相和固相水化产物发生碳化反应的活性大小以及因碳化反应而发生的固相体积变化,通过分析比较几种水化产物，氢氧化钙晶体发生碳化反应的活性最大，又能使固相体积增加，因而有利于混凝土密实性的提高。钙矶石和水化铝酸四钙也都容易发生碳化反应,并使固相体积减少高达40%以上，产生的危害性较大，而水化硅酸钙（托勃

5、莫来石）发生碳化反应的活性较低且固相体积变化较小。（叶绍勋.混凝土碳化反应的热力学计算（J）.硅酸盐通报，1989（8）：2-5.）o因此，在此基础上结合水化产物的分析结果和孔结构的试验数据，对混凝土的孔结构进行数值模拟。通过分析根据孔结构数值模型及碳化深度拟合CO2扩散系数。基于孔结构数值模型和水化产物分析，拟合CO2扩散系数和CO2吸收量，从而建立碱矿渣混凝土快速碳化模型在深入分析混凝土碳化的多相物理化学过程后，前苏联学者阿列克谢耶夫等人认为控制混凝土碳化速度的是CO2在混凝土孔隙中的扩散过程。根据菲克第一扩散定律以及CO2在多孔介质中扩散和吸收的特点。推导得出如下混凝土碳化理论数学模型（

6、阿列克谢耶夫著,黄可信,吴兴祖译.钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护M.北京:中国建筑工业出版社,1983.）：X1产后V恤式中Xc混凝土碳化深度，m；DeCO2在混凝土中的有效扩散系数，m2s;c。一环境中C02的浓度，%；mo单位体积混凝土中CCh的吸收量，mo1/m3；t碳化时间，s。该式用有效扩散系数De,反映C02在混凝土孔隙中扩散的能力，用单位体积混凝土吸收C02的量m。反映混凝土碳化过程中吸收C02的能力。水灰比、水泥品种与用量、相对湿度等因素对碳化速度的影响是通过影响这两个参数体现的。该模型形式简单.被大多数学者接受和引用。本项目结合项目特色，从碳化过程的本质出发，用孔结构数值模型

7、拟合CO2扩散系数，用水泥基体可碳化水化产物及孔隙液可反应水化产物表征CO2吸收量，具有重要的现实意义及使用价值。碱矿渣混凝土快速碳化模型与自然碳化的关系大量试验资料表明.混凝土的人工快速碳化与自然碳化之间存在如下关系(张海燕.混凝土碳化深度试验研究及其数学模型建立D.西北农林科技大学水利与建筑工程学院.2006.)：式中X一龄期为t年的混凝土碳化深度，mm；Xo快速碳化试验所测碳化深度，mm；c一自然碳化时空气中的CO2体积分数，%;c。一快速碳化时环境的CO2体积分数，%;t。一快速碳化龄期，年；t一自然碳化龄期，年。普通混凝土主要产物是方解石，CO2浓度变化对于碳化深度的影响不明显，而碱

8、矿渣混凝土的产物与普通硅酸盐水泥不同，对于CO2的敏感程度也不同，有文献显示(BemaISA,ProvisJ1,BriceDG.Acce1eratedcarbonationtestingofa1ka1i-activatedbinderssignificant1yunderestimatesservice1ife:thero1eofporeso1utionchemistryJ.CementandConcreteResearch,2012,42(10):1317-1326.),碳化导致的混凝土空隙液PH值降低，对于碱矿渣混凝土的影响要比普通混凝土更加明显。因此，需要在此基础上，扩大影响因素的选择，

9、如混凝pH值等，对影响系数进行进一步的修正。3.2可行性分析1 .设备可行性目前福州大学测试中心拥有ESEM、XRD、NMR等诸多微结构研究设备，本课题组也拥有孔结构分析仪、快速碳化试验箱、万能试验机等一系列微观、宏观试验设备，为本项目的研究提供了强大的设备保证。本课题组利用这些设备先后毕业了几十位硕士研究生，得到了诸多优秀的研究成果。2 .人员可行性课题组近十年来对高性能混凝土的配合比设计原理、抗裂性及混凝土劣化机理方面进行了深入的研究，先后完成了国家自然科学基金项目“轻骨料混凝土拉伸徐变研究”、和NSF,SBIR的“NextGenerationGreenCementTechno1ogy等，

10、取得了一些创新性成果，部分成果发表在国际学术刊物ACIMateria1sJourna1、ASCEJourna1ofMateria1s、Composites：PartB、ConstructionandBui1dingMateria1s、CementandConcreteResearch（影响因子为3.2（2012）,论文“Pre1iminarystudyonthewaterpermeabi1ityandmicrostructureofconcreteincorporatingnano-SiO2”至U目前为止被国际期干IJ弓I用208次）。课题组主要成员均有长期从事试验研究的工作经历，具有扎实的专

11、业和基础理论知识、很强的科研能力和实验技能，为本项目的顺利开展提供了可靠的人员和技术力量保证。季韬教授十几年来一直从事高性能混凝土研究，在重要刊物上发表论文90多篇，其中29篇被EI收录，10篇被SCI收录，获得授权专利9项，出版著作2部。2010年入选福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划，2012年获首届“福州大学杰出青年教师励志奖”。2014年2月入选美国TRB协会BasicResearchandEmergingTechno1ogiesRe1atedtoConCrete”分会的委员（TRBID:75016）0Hwai-ChungWu讲座教授（美国藉）在混凝土的研发方面达到国际领先水平，在绿

12、色环保水泥及复合材料领域发表了60多篇国际期刊论文，出版了1本专著并参与4本专著部分章节的写作。目前，Hwai-ChungWu是OPenJourna1ofCivi1EngineeringandCurrentAdvancesinCivi1Engineering的主编及三个国际期刊的编委。梁咏宁副教授长期从事高性能混凝土耐久性研究,在高性能混凝土材料制备及仪器使用方面具有丰富的经验。本课题组研究人员由2名教授（均具有博士学位）、1名副教授、1名博士生和4名硕士生组成，年龄、梯队结构合理。课题组在职成员长期合作，具有很强的团队协作精神，能够保证本项目的各项研究工作顺利进行。3 .技术路线可行性从研究思路看，在宏观上，研究各因素与碱矿渣混凝土碳化深度的关系。微观上，研究各因素对于碳化深度的影响机理，从而解释宏观现象。对于水化产物的研究采用XRD.NMR相结合的试验方法，从定型与无定型两个层次出发，更加完整全面地阐述水化产物的形成过程。在碳化模型建立方面，将扩散理论与试验结果相结合是发展的方向，通过本项目的试验结果，对现有混凝土碳化模型进行修正是可行的。本项目注重从碳化过程的本质出发，将CO2扩散系数通过孔结构数值模型表征,将CO2吸收量通过水泥基体可碳化水化产物和孔隙液可反应化学成分表征，具有重要的现实意义与应用价值。