微米级SAP孔设计及对超低温环境中混凝土损伤的抑制机理研究
批准号:
52208278
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨海涛
依托单位:
学科分类:
工程材料
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
中文摘要
与传统液化天然气(LNG)储罐相比,“全混凝土”LNG储罐具有储量大、成本低和耐候性强等优点,但LNG储罐内部的超低温环境会诱发混凝土损伤,这制约了“全混凝土”LNG储罐的推广。微米级高吸水性树脂(SAP)孔体系能够吸纳冰体膨胀排出的孔溶液,其优异的稳定性和可设计性使其有望成为抑制超低温环境中混凝土损伤的新技术。本项目拟开展下述研究:①制备微米级SAP,针对混凝土和SAP的特性,形成混凝土中SAP孔体系的设计方法;②通过分析超低温环境中孔溶液的物态变化,解析微米级SAP孔对孔溶液结冰和迁移行为的影响机理;③基于降温过程中混凝土的热变形和开裂行为,阐明微米级SAP孔体系抑制混凝土损伤的机制,形成适于超低温环境的SAP孔体系的调控技术。本研究有助于抑制冰体膨胀造成的混凝土损伤,也可为适于负温环境(0℃至-160℃)混凝土材料的研发提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Compared with traditional liquefied natural gas (LNG) storage tanks, ‘all-concrete’ LNG storage tanks have the advantages of large reserves, low cost, and strong weather resistance. However, the ultra-low temperature in the LNG storage tank will induce the damage of concrete, which restricts the development of ‘all-concrete’ LNG storage tanks. The micron-level superabsorbent polymers (SAP) void system can absorb the pore solution discharged by the expansion of ice. Its excellent stability and designability make it a promising new technology to suppress the damage of concrete at ultra-low temperatures. This research intends to carry out the following aspects: (1) Preparing micron-level SAP and constructing the design method of SAP void system in concrete according to the properties of concrete and SAP. (2) Revealing the mechanism of micron-level SAP void on the icing and migration behavior of pore solution by analyzing the physical state changes of pore solution. (3) Clarifying the mechanism of micron-level SAP void system in inhibiting the damage of concrete based on the thermal deformation and cracking behavior of concrete during freezing, thereby obtaining the regulation strategy of SAP void system suitable for the ultra-low temperatures. This research can help suppress the damage of concrete caused by the expansion of ice and provide a theoretical basis and technical support for designing concrete materials at negative temperatures (0℃ to -160℃).
严寒地区混凝土结构的冻融破坏是影响其长期耐久性的首要因素,传统引气技术虽能缓解但未根本解决孔隙水结冰产生的冻害问题。高吸水树脂(SAP)作为一种新型内养护材料,通过形成微孔体系可有效调控水泥基材料(CBMs)内部湿度场与孔结构,但其再膨胀行为对混凝土超低温环境下损伤机制的影响尚不明确。本项目围绕微米级SAP再膨胀的系统性研究,旨在揭示SAP在超低温条件下提升混凝土抗冻性的机理。.通过扫描电镜(SEM)、显微硬度测试及核磁共振(NMR)等技术,发现SAP-A(含致孔剂)表面呈现蜂窝状结构,其显微硬度(8 MPa)显著低于SAP基质(36 MPa),这种结构可作为水分传输通道提升膨胀效率,但会降低保水能力。在水泥浸出液中,SAP膨胀率随粒径减小而降低,且受水胶比与矿物掺合料影响:高水胶比(0.5)与粉煤灰(40%)可提升SAP再膨胀率,而低水胶比(0.3)与硅灰(10%)则抑制其再膨胀行为。拌和时间延长导致Ca²⁺浓度升高,进一步削弱SAP的平衡膨胀能力。引入SAP显著优化了CBMs的孔结构分布:SAP-A(小粒径)使毛细孔孔隙率增加12.5%,但气泡间距系数降低至0.25 mm,优于引气剂组(0.31 mm)。SAP组Ca(OH)₂衍射峰高度增加20.3%,C₃S峰高降低8.7%,表明水化程度提升。值得注意的是,SAP释水行为会在孔周形成弱化影响区(粒径越大影响区范围越大),导致压痕模量下降约30%,但这一特性在超低温环境下反而通过缓冲冰压效应抑制裂缝扩展。通过差示扫描量热(DSC)与电阻率测试发现,SAP孔体系使孔隙水结冰峰向低温区偏移(-35~-45℃),且结冰量随SAP粒径增大而增加。在-50℃时,SAP组电阻率较基准组高15.7%,说明其有效阻隔了离子迁移路径。超声波速监测显示,SAP-A(小粒径)在-40~-50℃区间波速损失率仅为引气剂组的60%,表明其更优的裂缝抑制能力。机理分析表明,SAP通过调控相变序列(0~-10℃冻结大毛细孔水,-35~-45℃冻结小毛细孔水)降低了冰晶对孔壁的破坏应力。本研究揭示了SAP再膨胀行为与混凝土抗冻性的关联规律,阐明了SAP微观结构(蜂窝状通道)—宏观性能(抗冻性)的传递机制。
微米级SAP孔设计及对超低温环境中混凝土损伤的抑制机理研究
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批准号:--
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:杨海涛
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依托单位:
国内基金
海外基金