[01734753]水泥基复合材料多尺度理论及应用技术

该课题面向土木工程领域，在微、细观尺度下，采用梯度复合材料理论及应用技术，以提高其使用寿命、优化综合性能为目的，进行水泥基复合材料制备及利用研究；在宏、细观尺度下，通过对随机材料多尺度理论研究，提出混凝土优化设计，并研发相关产品，广泛应用于公路、隧道、大坝等土木工程。微细观角度的研究1.以耐久性设计为目标，引入FGM设计原理，制备出功能梯度混凝土(GCC)，使之满足多种使用功能，确立了其设计原则。2.首次提出细化传统混凝土50-100m浆－骨界面过渡区为设计原则，制备出高致密化混凝土保护层(HDC)，并作为GCC材料体系的保护层，有效保证了GCC的高抗渗、高耐久等性能。3.设计的嵌入式网格型多元协同界面过渡区，有效保证了GCC体系的整体稳定性，界面粘结强度得到大幅度提高，耐久性、体积稳定性、表面抗裂性优良。4.制备FGD-FA道路梯度混凝土保护面层力学性能满足要求、和易性、耐磨性优于普通混凝土。5.GCCS试验生产效果优异，自行设计界面处理盖板对GCCS界面进行处理，形成网格型界面，获得较好的实用效果。宏细观角度的研究：1.针对混凝土骨料模拟难的问题；提出用椭球代替骨料得到了一种通用的模拟技术和改进的网格算法。2.针对混凝土难于用数值方法预测其力学性能的问题；首次提出了一种多尺度算法，并提供了基本计算框架。3.针对水泥基复合材料结构的热、力问题，首次给出了期望位移场与等效位移场、期望温度场与等效温度场之间的理论估计，为分析水泥基材料热、力性能提供理论依据，并给出了计算框架。4.建立了骨料空间形态优化模型，为数值优化设计水泥基材料提供计算框架。水泥基多尺度理论工程应用成果：1.多尺度理论运用于小湾、三峡大坝、功能梯度界面过渡区性能分析中，有效性显著。2.将GCC材料用于道路保护层的制备及铺装，各项性能优良，大幅提升寿命和利用工业废渣，经济及环保效益显著。3.生产的FGCS用于武汉长江隧道工程左线盾构隧道的施工中，其效果优良，在国内尚属首次。