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 起止年限：依托部门：李宗津 东南大学 2009.1至2013.8 江苏省科技厅 教育部

首席科学家：

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

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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。

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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

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资源消耗50%以上。

(7) 五年发表300篇以上SCI收录的论文，申请国内专利20-30项，国外专利3-5项，出版3至5本专著；力争获国家奖1-2项。促进多学科交叉发展，培养一批高素质、高创新能力的博士、硕士研究生，建立一支具有勇于创新、思维活跃、学风严谨、勤奋好学、有奉献和牺牲精神、高学术水平的中青年科学家队伍。

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三、研究方案

1、学术思路和技术路线

根据环境友好现代混凝土的基础研究的要求，针对其所面临的关键科学问题，本项目将站在提高现代混凝土服役性能和结构安全性、延长服役寿命这一终端用途的高度，综合考虑现代混凝土制备、微结构、力学-传输性能与环境-荷载因素作用下的损伤退化机理，从最关键的现代混凝土微结构的形成机理及其对宏观性能的影响入手，建立微结构模型，并运用多尺度过渡理论与方法，将此微观特征植入到力学与传输的宏观性能。全面考虑环境-荷载因素的影响，探讨基于热力学与多孔介质力学平台上的化学-力学转化方程，建立现代混凝土在荷载与环境因素的耦合作用下其微结构与宏观性能损伤失效机理。在此基础上，形成崭新的基于微结构与宏观性能互动原理上的现代混凝土服役性能设计理论框架，研发高抗裂、高韧性长寿命的现代混凝土，有效提升现代混凝土服役性能和使用安全性，在强调原始理论创新的同时，注重研究成果的应用。。

围绕总体学术思路, 本项目的总体技术路线确定如下：

（1）发展现代混凝土微结构形成理论，采用先进的测试仪器和技术对现代混凝土在纳米层次上的微结构及结合力进行表征，对现代混凝土浆体的水化动力学过程进行研究，应用量子化学的理论对水化物间的结合力形成机理进行研究，运用大型分子动力学软件模拟纳米级凝胶结构的起源，运用热力学与动力学的手段，建立高度抽象而又更能反映现代混凝土属性的微结构模型。

（2）从现代混凝土的微结构模型出发，在多尺度连续介质力学和多孔介质理论的框架下，研究现代混凝土的力学及传输的本构方程，并由唯象逻辑法经试验建立起类似的本构关系并相互验证，建立微观结构与宏观性能之间的关系。

（3）基于多孔介质理论及热动力学的平台，实现环境因素的化学-力学转化。在室内模拟试验与现场暴露试验的基础上，建立环境因素与荷载耦合作用下的损伤和寿命预测模型，提高寿命预测的科学性和可靠性。

（4）利用力学及传输的本构方程及环境因素与荷载作用耦合下的损伤模型，通过加速试验、理论分析与模拟，研究现代混凝土结构性能变化及时效关系。研发与水泥基相匹配的新型智能传感器，发展服役智能化技术，实现混凝土结构服

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役的智能化。在提出控制参数与设计准则的基础上建立现代混凝土结构的服役寿命设计理论框架。

（5）根据现代混凝土服役性能的要求及微结构特征，研究原位增韧机理与途径，调控和优化混凝土微结构，发展混凝土微结构工程学，建立基于微结构工程学的混凝土配合比设计理论与方法。结合典型工程（泰洲大桥、京沪高铁等）和典型产品将理论研究成果全面应用。评价和完善所建理论体系的科学性及准确性，并为重大工程安全服役提供科学论证。 2、创新点与特色 理论创新：

建立反映现代混凝土物理化学本质的微结构模型；建立现代混凝土在复杂应力状态下由微结构向宏观结构过渡的多尺度本构关系；将现代混凝土的化学反应引入到其宏观力学框架，建立化学-力学的转化理论；基于混凝土材料及其结构的损伤演化过程建立现代混凝土结构服役寿命设计理论框架。

方法与技术创新：

运用分子动力学仿真大型软件进行热动力学模拟分析，建立基于量子化学和结构化学的原子或分子间势能计算方法，通过水化环境对水化物的结合力的影响，建立纳米级凝胶结构模型。

运用原子力显微镜和纳米压痕技术，研究C-S-H簇的基本构成单元的结合力类型，建立具有现代混凝土组成特征及硬化规律的微结构模型。

将连续介质力学与多孔介质理论相结合研究现代混凝土的力学本构和传输关系。将多孔介质理论与热动力学相结合研究环境因素的化学-力学等效转换。

研究加速试验与自然环境作用间的相似关系，建立荷载和环境因素耦合作用下现代混凝土材料和现代混凝土结构时效关系。

采用近似概率法创建基于微结构演化与多向应力本构关系的统一考虑设计、施工、使用各个阶段的现代混凝土结构服役寿命设计理论。

采用智能传感器的植入（内置）技术，改善智能传感器的可靠性及耐久性，实现定量化的结构服役性能监测。

采用官能团定位技术，制备链末端带有反应性官能团且具有双层交联结构的遥爪聚合物微凝胶，实现混凝土的原位增韧。

采用现代分子裁剪和接枝技术，制备具有高减水、低收缩和阻锈功能的多功

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能耐久性改进材料；采用二元超双亲特定分子自组装技术，制备具有迁移、自组装和表面强化功能的混凝土表面强化材料，显著提升现代混凝土的服役性能。

本项目的特色：

（1）以提升现代混凝土的服役性能和安全性、延长服役寿命为主线，结合辅料的高效利用，从根本上实现混凝土工程的节能降耗与环境友好目标。

（2）在微结构研究中，引入纳米科学研究的方法，从现代混凝土微结构的起源建立相关模型，并将微结构的特征植入到宏观性能中。

（3）围绕服役性能这一终端用途，揭示现代混凝土制备、微结构、性能、效能之间的有机联系，实现基于性能要求的微结构调控。

（4）本研究涉及材料、结构、力学、数学、物理、化学和计算机科学等多学科领域，学科相互渗透性强，有取得重大突破的前景。

3、可行性分析

（1）项目的总体研究思路与技术路线的设定是建立在坚实的前期工作的基础上的。从学术研究的基础来看，世界上以NANOCEM（欧盟学术/工业界水泥基材料研究计划）、ACBM（美国先进水泥基材料研究计划）、Concrete Canada （加拿大混凝土）为代表的大型研究项目已取得了重大进展，从纳米尺度对水泥基材料的水化机理及微结构模型提出了新的见解，可供本项目借鉴。本项目课题组在现代混凝土的性能和机理研究中也取得了突破性成果，对其水化过程中的热力学与动力学特征有了进一步独到与科学的理解（3个香港RGC项目支撑），对现代混凝土在多因素耦合作用下损伤规律有了深刻的认识和创新性的研究进展（国家自然科学基金重点项目，国家863项目和交通部西部攻关项目支撑），对现代混凝土服役性的设计提出了切实可行的新思路，运用多孔介质理论与热动力学平台将现代混凝土中的化学作用转换为力学作用的尝试已取得初步成果。这些研究为实现现代混凝土基于微结构、复杂应力下的本构关系和化学-力学耦合作用下的损伤机理的服役性基础研究提供了强有力支持。在这一领域实现重大突破的机遇已经来临。

（2）项目的组织实施有充分的软件与硬件的保证。从研究人员来看，本项目汇集了我国在现代混凝土研究领域的最杰出人才，队伍中有中国工程院土木、水利与建筑工程学部唯一的混凝土专家孙伟教授，组织了包括材料、结构、力学、

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化学、数学、物理在内的多学科交叉攻关队伍。从参研单位来看，本项目既凝聚了东南大学、武汉理工大学、浙江大学、香港科技大学、清华大学、同济大学、武汉大学等实力雄厚的学术权威单位，也联合了江苏省建筑科学研究院有限公司这样颇具自主创新能力的工业界研究伙伴，形成了学科交叉、强强联合、优势互补的强有力的攻坚力量。这一研究团队的研究经验丰富，理论基础雄厚，自主创新能力强、年富力强、肯钻实干，具有取得现代混凝土基础研究重大突破的能力、潜力与实力。从硬件基础来看，本项目的参与单位拥有高精尖测试仪器，大容量强功能的大型计算机及软件，为现代混凝土的微结构基础研究及结构的非线性设计提供了坚实的基础，建立了设备齐全的国家级、教育部和省级重点实验室，为现代混凝土基础研究取得重大突破提供了坚实的物质基础。

（3）项目的整体目标是五个主要合作单位近几年通过对国内外现代混凝土研究现状进行归纳提炼，又根据我国的国情及各单位的实力提出来的。设定合理，具体明确。既具有科学性高度，又具有可实施性措施，切实充分可行。

（4）本项目研究队伍具有广阔的国际视野。多数研究骨干有出国留学、访问交流、做博士后研究的经历。项目申请人与国际上知名的混凝土研究机构或组织均有密切的联系和及时的信息交流，如美国的先进水泥基材料研究中心（ACBM）、欧洲的NANOCEM、美国混凝土学会（ACI）、欧洲混凝土学会(fib)、日本混凝土学会（JCI）、韩国混凝土学会（KCI）等。最近，项目推荐首席科学家得到欧洲专家的邀请，共同参加欧盟有关现代混凝土界面的研究项目。紧密的联系与及时的研究信息交流，将有助于本项目的顺利开展，避免不必要的重复，紧紧把握正确的前进方向，始终站在世界研究的前沿，取得一批具有国际领先的重大成果。

（5）本项目的主要研究单位有着长期密切合作的传统，对项目科学问题的提炼、整体目标的设立、技术路线的选定与课题的分工认识统一。本项目的研究队伍的团队意识很强，易于合作。本项目的主要负责人既有领导艺术，又有民主意识和团队合作精神，有助于本项目研究的勃勃生机、全体研究人员的主动参与、主体研究方向的正确有序及具体研究目标的逐步实施。

（6）本项目的研究队伍组成有助于研究成果的工程转化。参与本项目的东南大学、武汉理工大学、浙江大学、香港科技大学在环境友好的现代混凝土研究

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中均取得过一批具有自主知识产权的成果并将其转化到工程应用的经验。东南大学、香港科技大学与江苏省建筑科学研究院有限公司在专利发明与工程应用开发中已有成功的经验。另外，江苏省建筑科学研究院有限公司的中试平台也为研究成果的工程转化提供了良好的支撑条件。

4. 课题设置

本项目从提高现代混凝土服役性能、实现国家节能减排可持续发展的战略高度出发，紧紧围绕着关键科学问题，充分考虑到现代混凝土微结构、制备、性能、效能之间的有机联系及相互影响，根据分工明确、相对独立、彼此关联、目标具体、确实可行的原则来设置课题。

本项目的研究目标、关键科学问题与课题设置的相互关系如图2所示。 课题一主要研究现代混凝土材料组成与微观结构的定量关系。它将紧紧围绕现代混凝土硬化浆体微结构形成机理这一关键科学问题，建立高度抽象而又反映实际的现代混凝土微结构模型，为其它课题研究现代混凝土微观结构与宏观性能之间的定量关系提供理论依据。

课题二将基于课题一的研究结果，探讨现代混凝土微观结构构造对材料本构关系的影响与作用，建立基于典型微观结构的现代混凝土的本构理论体系，为课题三提供现代混凝土传输本构方程，为课题四提供现代混凝土力学本构方程，从而实现从材料到结构的有机连接。

课题三是在课题一、二提供的微结构模型及现代混凝土传输本构的平台上，研究在荷载与环境因素耦合作用下的微观结构演化过程的定量描述以及微观结构与宏观性能之间定量关系及其时变特性的定量描述。课题三的研究成果将为课题四研究在荷载与环境因素耦合作用下现代混凝土结构的服役寿命设计提供基础理论支持。

基于前三个课题提供的理论模型，课题四将站在终端用途的高度对现代混凝土结构的服役性能进行综合研究。其重点是复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论这一关键科学问题。基于提高现代混凝土服役性能的需要，课题四将指导课题五对现代混凝土服役性能的提升技术进行研究。

课题五还将受益于课题一关于微结构诱导的研究，重点开发增强耐久性、提高抗裂性的各种外加剂，实现高韧性、长寿命的现代混凝土的制备，并结合重大

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基础工程和典型产品的实施，对理论成果进行科学验证。

课题一：现代混凝土胶凝浆体微结构形成机理

研究目标：揭示纳米层次上现代混凝土微结构的结合力类型，研究不同水泥熟料与辅料组合的水化活性与胶凝性，掌握根据组分相反应程度来预测水化相组装结构的规律，建立基于水化产物物理力学特征的的微结构模型，提出微结构形成的诱导和控制的设计准则，对充分利用工业废渣等辅料和提高水泥混凝土的服役寿命起到推动作用。

（1）复杂组分交互作用的基础研究

以添加不同辅料和化学外加剂的低水胶比现代胶凝材料体系为对象，探索水泥熟料、辅料等现代胶凝材料粉末组分的颗粒细度与分布、颗粒化学与矿物组分、颗粒堆积结构对其水化活性的影响，建立粉末颗粒几何特征、组分、起始水灰（胶）比和水化速率与水化度的相互关系；研究残余水分饱和蒸气压的时变规律及化学外加剂对水化速率的影响，确定现代胶凝材料水化过程的动力学特征参数；研究水化、硬化过程的动力学特征与饱和水化度之间的关系。深入研究高胶凝性熟料与不同的辅料和化学外加剂组成的多元胶凝材料的水化硬化机理，探明硬化浆体微结构演变规律，分别揭示水化前纳米尺度微粒和水化后纳米尺度水化产物对现代混凝土关键技术性能的贡献机理。

（2）现代混凝土水化过程的热动力学定量描述

深入研究溶液对熟料及辅料颗粒表面的侵蚀作用，探讨离子对硅酸盐晶体结构，特别是Si－O与Al－O的侵蚀过程；研究现代混凝土中胶凝材料表面结构、吸附特性等随时间的变化规律，研究获取表面吸附参数的测试方法，确定表征表面吸附性能的热动力学参数；研究浆体表面结构及其水的存在状态在能量转化中的作用，确定相对湿度对微结构表面能的影响；探明界面自由能及体征参数随时间的变化规律，建立现代混凝土中胶凝材料反应体系的自由能（G）、熵（S）、焓（H）以及界面自由能（φ）的关系，在不同反应环境下研究这一关系的变化规律；在此基础上，给出现代混凝土胶凝材料微结构形成的热动力学定量描述，为微结构形成与控制提供理论依据。

（3）现代混凝土胶凝材料的微结构模型

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在微米及纳米尺度下对现代混凝土胶凝材料体系从简单组合到复杂组合的微结构及结合力进行量化处理；研究不同熟料与辅料的各种组合对微结构形成及结合力性能的影响，确定微米与纳米尺度结晶相和无定型相的结构形式与空间分布；揭示C-S-H凝胶、不同水化颗粒及簇间结合力的本质与形成规律，建立C-S-H凝胶以及水化颗粒间结合力与胶凝性能之间的关系，研究胶凝材料体系微观结构形成过程中孔结构和孔隙率的依时变化规律，构建基于物理力学参数的混凝土胶凝材料微结构模型。

（4）微裂缝形成的驱动力

研究处于持续变迁状态的蒸发水对微结构的影响，判断体系的开裂敏感性；研究温度升高对毛细孔中水膨胀性能的影响，及膨胀水进入水化物凝胶产生的力效应，确定温度应力与水化物性能的关系；研究内部微环境和外界环境（温度和湿度变化）交互作用时，不同浆体微结构、结合力以及孔结构的变化规律，确定胶凝浆体产生微裂纹的驱动力；建立浆体内部应力场数值计算模型，揭示微裂纹形成的条件并模拟微裂纹形成过程。

（5）微结构的诱导与调控

基于水化产物结构模型、水化反应热动力学原理和微裂纹形成条件，研究从材料组成、配比、内部微环境设计等方面进行微结构诱导与调控的技术途径。根据上述四个部分的研究结果，进一步确定微结构形成与演变的外部和内部主要影响因素，从而提出现代混凝土的微观尺度设计理论和方法，提出针对一定病害条件和使用环境的微结构理想模型及实现该模型的诱导方法。

课题承担单位：武汉理工大学，武汉大学 课题负责人：丁庆军 经费比例：21%

课题二：现代混凝土微结构与本构的关系

研究目标: 探明现代混凝土微观结构构造对材料弹性系数的影响与作用; 实现现代混凝土材料力学性能从微观（nm）到细观（?m）再到宏观（mm）的多尺度过渡，将现代混凝土的微结构特征植入其宏观性能；建立现代混凝土的力学本构关系；建立基于多孔介质力学的现代混凝土多维传输本构关系。

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(1) 现代混凝土微结构对其弹性系数的影响

利用课题一对现代混凝土微结构的定量描述，开展现代混凝土典型微结构的弹性系数的理论推导及实验验证研究。研究内容包括用最小势能法推导现代混凝土微结构的弹性系数，测试其宏观弹性系数并与微观结果比较，以探讨微结构的弹性系数与宏观结构弹性系数的联系。

(2) 现代混凝土力学多尺度本构模型

构造多尺度连续介质力学框架下的本构模型。研究各尺度在不同边界条件的约束及微结构变化的条件下，其内部应力与变形的关系。研究代表体元中损伤变量对变形的影响。建立各尺度间的有机联系，实现材料力学特性在多尺度上的耦合求解，将现代混凝土纳米尺度的微结构特征植入到其宏观表象中。设计相关试验，确定耦合求解过程中出现的有关系数，完善基于现代混凝土微结构的本构方程。

(3) 复杂应力状态下现代混凝土的本构关系

获取宏观的本构关系主要有两种手段。一种是通过宏观尺度下的材料试验直接测试材料的力学表现，即所谓的唯象逻辑法。另一种是由微观局部的描述出发，通过向上的层层尺度递进而推导出宏观的本构关系，如前述的多尺度法。这里将运用唯象逻辑法在宏观尺度上通过实验建立复杂应力状态下现代混凝土的力学性能与变形的全程关系，特别是非线性状态方程及下降段方程。唯象逻辑法所得到的现代混凝土的本构关系将与多尺度法的结果进行比较，找出二者之间的关系。

(4) 基于多孔介质力学的混凝土传输本构关系

混凝土的微结构中含有相当的孔隙，可以被视为多孔介质（porous media）。因此有可能利用多孔介质的理论来研究混凝土的本构关系，尤其是建立现代混凝土在传输问题上的本构方程。本专题主要研究代表性单元体（r.e.v）的选取，平流对扩散的影响，扩散系数的时空分布规律，高偏尺度法的技术路线，孔隙周围微裂纹的萌生、汇聚、发展的定量描述及其对扩散的影响，多孔介质的混合物理论。

课题承担单位：东南大学，香港科技大学 课题负责人：李宗津

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经费比例：20%

课题三：现代混凝土在多重因素作用下的化学-力学耦合损伤失效机理 研究目标：对各种环境因素的作用（包括物理的作用与化学的作用）进行力学等效转换，实现环境因素－力学因素耦合作用的归一化。定量分析和阐述化学－力学耦合作用下现代混凝土的微结构损伤演变规律，建立现代混凝土材料损伤模型。建立化学-力学耦合作用下现代混凝土材料硬化/软化表征方法，为研究化学-力学耦合作用下混凝土损伤劣化机理提供表征手段，为钢筋混凝土结构服役寿命设计理论的建立提供材料基础。

（1）基于多孔介质理论及热力学平台的环境因素的化学－力学作用的等效转换

现代混凝土服役过程中主要承受机械荷载（包括静载和动载）与各种环境因素的耦合作用，如冻融循环、干湿交替、溶蚀、酸雨侵蚀、碱集料反应、硫酸盐侵蚀、镁盐腐蚀、氯盐侵蚀、碳化、钢筋锈蚀等。为了能使用以力学领域内对材料内部结构损伤过程本构模型描述的研究成果，最科学的方法就是将各种环境因素的作用转化成力学因素。这就涉及到环境因素的等效化学－力学转换问题。就环境因素的作用而言，大都属于化学侵蚀的范畴。因此该部分主要考虑如何将化学作用等效转换成力学作用的问题。

（2）化学—力学耦合作用下的微结构的演变

设计并进行化学－力学耦合实验（包括碱集料反应－荷载（不同应力水平的静载/疲劳荷载）、盐侵蚀（硫酸盐、镁盐、氯盐）－荷载、冻融－荷载、干湿循环－荷载、碳化－荷载、钢筋锈蚀－荷载、溶蚀－荷载、酸雨侵蚀－荷载）。加载方式有单轴受拉、单轴受压以及四点抗弯等；依据我国典型地区、典型工程及耦合因素特点进行科学组合，针对不同的材料宏观性能选取合适的微观结构参数，研究非耦合、化学－力学双因素耦合以及多因素耦合作用下混凝土基体、界面过渡区以及集料微结构演化规律，研究在恒定非耦合、以及耦合因素作用下混凝土自身组成变化（包括基体组成、配合比、集料）对混凝土微观结构演变规律的影响。

（3）化学－力学耦合作用下的材料损伤模型

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建立溶出性腐蚀（溶蚀、水解、酸雨侵蚀）与力学耦合作用下的结构混凝土材料以及钢筋混凝土损伤演化模型；基于热力学第二定律及课题一、二的研究成果，建立膨胀性腐蚀（钢筋锈蚀、硫酸盐腐蚀、碱集料反应、盐结晶）与力学作用耦合下结构混凝土材料以及钢筋混凝土的损伤演化方程；为课题四化学－力学耦合作用下钢筋混凝土结构全寿命设计理论的建立提供基础。并结合本专题的研究成果，给出适用于工程实际的化学-力学等效转换简化计算方法，为课题四提供现代混凝土结构服役性能设计用的简化方法。

（4）化学－力学耦合作用下材料硬化／软化及表征

化学作用相对于普通力学加载而言是一个相对缓慢的加载过程。化学－力学耦合因素作用下材料硬化/软化行为的研究对修正化学－力学耦合因素作用下混凝土材料的损伤本构模型具有非常重要的地位。因此，本专题将研究化学作用形式和作用程度对现代混凝土材料硬化/软化曲线形态的影响及机理；化学作用的局部效应对材料硬化/软化特性的影响。研究化学-力学耦合作用度及耦合形式对混凝土硬化/软化特性的影响及机理；建立力学-化学耦合作用下混凝土材料宏观与细观性能之间关系；对混凝土内部的损伤进行定量表征；建立化学-力学耦合作用下混凝土非均质硬化/软化模型。

（5）化学－力学因素耦合作用下现代混凝土材料寿命预测模型

在前述研究内容（3）和（4）的基础上，针对我国典型地区的典型环境（如海洋环境、腐蚀环境、湿热环境及冻融环境等），开展典型环境与荷载耦合作用的室内模拟试验与室外暴露站现场试验研究，揭示现代混凝土材料在不同耦合因素作用下损伤劣化过程、损伤叠加及正负效应的交互作用。运用损伤理论，提出能适应不同边界条件和耦合因素作用下的现代混凝土寿命预测模型，并建立相应的现代混凝土寿命预测新体系与新方法。通过室内模拟试验与室外现场暴露试验结果的对比分析找到两者的定量计算关系，从而提高现代混凝土材料服役寿命预测和剩余寿命评估的科学性与安全性。

课题承担单位：东南大学 课题负责人：孙 伟 经费比例：22%

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课题四：复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论

研究目标：针对现代混凝土结构，确定典型环境关键参数，分析混凝土微结构演化对结构服役寿命的影响，创建基于微结构演化与多维本构关系的统一考虑设计、施工、使用各个阶段现代混凝土结构的服役寿命设计理论框架，构建延长结构寿命的基础理论，在混凝土结构服役寿命设计理论方面取得达到国际先进水平的研究成果。

（1）荷载和环境因素作用下现代混凝土结构的时效关系

研究现代混凝土结构在长期载荷、疲劳载荷、突变载荷和环境侵蚀等多因素复杂环境耦合作用下的损伤演化特征、机理及灾变行为规律，分析各类结构的失效路径、临界状态和破坏前兆，以及损伤对结构响应的影响；建立荷载和环境耦合作用下现代混凝土结构时效关系，验证并修正课题三建立的化学-力学等效转换计算模型；提出并实施具有抵御荷载和大气腐蚀等环境因素作用的高性能组合新结构，建立腐蚀、老化等各种复杂环境对高性能组合新结构构件的时效关系。

（2）现代混凝土结构服役智能化的基础研究

研发并制造新型结构形式的包括水泥基压电及光纤在内的智能传感器，研究智能传感器的植入（内置）技术及其对传感信号的影响，研究智能传感器的可靠性及耐久性，应用新型传感器研究混凝土结构的自诊断技术；发展精确的结构高频理论及分析方法，实现定量化的结构健康监测；在基于服役性能的设计和监测中，进行计算机仿真研究，对现代混凝土结构服役状况作出准确的实时评估，指导制定及调节现代混凝土服役性能的决策，实现混凝土结构服役智能化。

（3）复杂环境作用下混凝土结构服役寿命设计理论

探讨不同区域环境作用和不同结构参数对混凝土结构服役性能的影响；建立混凝土构件的多尺度环境作用模型，研究复杂环境作用下结构的动力响应模型及高效计算方法。建立复杂环境作用下综合考虑服役性能和广义强度破坏准则的关于混凝土结构失效机理的统一理论框架，并制定统一的分析方法与标准。确定服役寿命设计用各种变形极限状态与临界值，发展混凝土结构服役寿命设计理论框架与方法，提出混凝土结构服役寿命全过程及分阶段设计标准。

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课题承担单位：浙江大学，同济大学 课题负责人：金贤玉 经费比例：21%

课题五：现代混凝土服役性能的提升技术

研究目标：发展混凝土微结构工程学，建立基于微结构工程学的混凝土配合比设计理论与方法，研究提升混凝土服役性能的关键技术，开发出能显著提高混凝土抗裂性、增加混凝土韧性、提高混凝土耐久性的成套新技术和具有自主知识产权的新材料，并应用于实际工程，大幅度提高现代混凝土的服役寿命。

（1）现代混凝土微结构工程学基础

现代混凝土的微结构特征由两部分组成，一部分是水泥水化自然形成，另一部分是通过人为地加入某些外加剂诱导形成。现代混凝土微结构工程学主要研究外加剂调控和优化混凝土微结构的机理。本课题根据课题一提供的现代混凝土微结构模型及其特征，按照课题四对现代混凝土服役性能的要求，探索能达到增加混凝土韧性、抗裂性、体积稳定性的微结构设计方法与调控技术，建立基于微结构工程学的混凝土配合比设计理论。

（2）现代混凝土原位增韧理论基础及应用技术的研究

现代混凝土原位增韧主要是指在水泥水化空隙率较大部位通过新型外加剂的引入和反应形成一端与水化物结合、另一端自行聚合的新型化合物。新型化合物的聚合链具有延性大、抗拉性高的优点并填补由于水化而产生的空隙，从而提高现代混凝土的韧性。

开发遥爪聚合物微凝胶，对其官能团进行选型与分子结构设计，研究聚合反应的动力学特征与反应机理；研究掺加遥爪聚合物微凝胶混凝土的性能，研究遥爪聚合物与辅料及其它外加剂的适应性；分析表征遥爪聚合物微凝胶与水泥水化产物的键接方式及其在混凝土硬化过程中的微观形态。 （3）多功能耐久性改进材料的构筑及应用技术研究

研究接枝共聚物的化学结构－吸附行为－界面分子构象－电位和空间位阻－水泥浓悬浮体系分散性能之间的关系，揭示接枝共聚物微观结构对分

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散性能的影响，提出新型高减水混凝土外加剂设计新理念；研究有机抗收缩剂分子结构－水泥水化－硬化水泥浆体内部孔结构－收缩之间的关系，揭示有机抗收缩剂的作用机理；从量子化学的角度研究有机醇胺类混凝土阻锈剂的阻锈机理，为设计功能型高分子外加剂提供理论依据；研究多功能型耐久性改进材料的分子结构构建与合成路线。

（4）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

研究二元超双亲性特定分子结构自组装的规则和基本原理，构筑迁移型表面强化材料，不仅能有效抑制水分蒸发，降低混凝土的干燥收缩，而且能强化混凝土表面性能。重点研究二元超双亲性分子自组装过程的驱动力和分子迁移机理，超双亲性分子中亲油基、亲水基的理化性质、取向和环境介质等因素对分子自组装、迁移和界面性能的影响规律；研究自组装单分子膜的表层微组织结构及表面结构对体系性能的影响及表征；研究表层强化材料的设计、制备，并实现分子操纵。

（5）研究成果在示范工程中的应用

上述研究完成后，其成果将向工程应用转化。初步打算结合泰州大桥、京沪高铁等工程的设计与施工，将现代混凝土的服役寿命设计理论与服役性能提升技术在工程建设中应用。

课题承担单位：江苏省建筑科学研究院有限公司 课题负责人：缪昌文 经费比例：16%

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四、年度计划

年度 研究内容 预期目标 1) 研究复杂组分相互作用规律，水1) 初步建立现代混凝土胶凝材料的化速率和水化度的影响因素。 物理化学特征与胶凝性的关系。 2) 熟悉分子动力学软件的功能，探2) 掌握分子动力学软件等的主要功索热动力学表征方法。 能，提出水化热动力学参数。 3) 研究C-S-H簇结构、胶凝浆体结3) 提出浆体组成相间结合力的表征合力的分析、测试方法。 及测定方法。 4) 研究由已有的水泥基材料的微4) 建立并完善通过最小势能计算水结构模型的最小势能计算其弹性模量的方法。 第 5) 研究混凝土微结构物理和化学5) 获得混凝土微结构物理和化学特 一 特征的本构变量的表征。 6) 研究代表体元的微观特征及其对传输的影响。 征的内变量表征形式。 6) 获取与传输性能密切相关的孔结构信息与表征。 泥基材料微结构弹性模量的步骤、公式。 年 7) 设计与建造三个尺度层次的力7) 建成材料损伤劣化试验中三种尺学与环境因素多重耦合试验加载系统。 度层次的轴压、轴拉、弯曲、剪切加载系统。 8) 研究多因素耦合作用下三个层8) 建立在力学与环境因素耦合作用次（混凝土、砂浆、净浆）材料宏观性能损伤劣化和微观结构演变的定量表征方法。 9) 研究侵蚀性介质与混凝土各组分间的反应热力学与动力学关系。 9) 得出侵蚀性介质与混凝土各组分间的反映规律。 下宏观性能与微观结构演变之间的定量表征方法。 18

年度 研究内容 预期目标 10) 研究钢筋在不同条件下的腐蚀10) 提出钢筋在不同条件下锈蚀规律行为。研究环境关键参数及等效表达式。 11) 研究混凝土结构加速环境模拟试验的相似性。 12) 从理论上初步阐明水泥基智能12) 研究新型智能传感器的工作机理与力学特性。 13) 研究外加剂调控和优化混凝土微结构的机理。 14) 进行微凝胶官能团的选型与分子结构设计，研究聚合反应的动力学特征。 15) 研究梳形共聚物的合成技术、表征及构效关系。 16) 研究材料组成、配合比等对混凝土韧性、抗裂性和耐久性的影响规律，优化混凝土配合比。 13) 揭示外加剂调控和优化混凝土微结构的机理。 14) 确定聚合反应的最佳工艺条件和配方，初步制备出遥爪聚合物微凝胶。 15) 确定梳形共聚物分子设计思路、合成路线和结构表征方法。 16) 确定高韧性、高抗裂性和高耐久性混凝土的材料组成、原材料优选标准和配合比关键控制参数。 17) 发表SCI收录论文约20篇，申报发明专利5~10项。 18) 完成年度报告。 材料宏观性能与微观特征的关联效应。 和机理。确定关键环境参数，提出环境作用区划及多尺度的环境作用模型。 11) 建立暴露试验站，建立加速环境试验与自然环境试验之间的相似关系。 19

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