火灾高温及高温后地聚合物混凝土中钢筋粘结行为研究

<aside> ☀️ 研究背景

    混凝土材料具有原料丰富、价格低廉、工艺简单、耐久性好等优点，是工程建设中应用最为广泛的材料。传统硅酸盐水泥作为混凝土的重要组成部分，在其生产过程中存在能源资源消耗大、环境污染严重等问题。硅酸盐水泥生产的耗能仅次于钢铁和铝，约为1300kWh/吨。此外，每吨传统水泥的生产还将排放0.66~0.82吨CO2，全球因水泥生产产生的CO2排放占人为排放总量的5%~7%，对环境造成严重的危害。因此，从可持续发展角度考虑，亟待寻找一种传统胶凝材料的替代方案，减少甚至取代混凝土中的硅酸盐水泥，使混凝土生产更加绿色、环保、可持续，已经成为了当前最为紧迫的研究任务。

    近年来，地聚合物作为一种新型胶凝材料，凭借其低能耗、高环保的特点，成为取代硅酸盐水泥的热门选择。地聚合物的化学成分与沸石相近，但具有非晶态的微观结构。与传统水泥通过氧化钙和二氧化硅的水合反应控制形成硅酸钙的水合物不同，地聚合物混凝土（GPC）不需要C-S-H凝胶进行基质形成和强度生成，而是利用二氧化硅和氧化铝反应而形成强度。也就是说，水的存在只是为了促进混合物搅拌时的可工作性，而非生成地聚合物结构的必要组分。这也使得GPC与传统硅酸盐水泥混凝土在微观结构、力学性能和化学性质方面均存在着本质差别。GPC的聚合过程主要由地聚合物提供硅和铝，硅和铝先溶解在碱性活化溶液中，然后才会聚合到分子链和网络中，这意味着GPC的力学性能和化学性质在很大程度上依赖于地聚合物原材料和碱性活化剂液体的选用，并且对混合加工过程（如温度）比较敏感。由于地聚合物原料取自工业固体废弃物，使用GPC材料在降低能耗的同时也能够减少工业废料的排放，降低环境污染，保护和改良环境条件，对于混凝土行业的可持续发展具有很大的应用价值和实用意义。

    现有研究表明，只要地聚合物原材料选用恰当，所得到的GPC材料不仅具有良好的力学性能，而且在耐久性、抗冻耐热、抗腐蚀等方面都优于传统的硅酸盐水泥混凝土。目前，GPC材料已经逐渐被应用于房屋建筑、道路、桥梁和隧道工程中。针对实际工程应用，在我国《混凝土结构设计规范》等相关建筑法规中，均对混凝土材料的防火和防腐蚀性能提出了很高的要求。然而，相比于普通硅酸盐水泥，GPC的研究历史仅有40年。现有的研究主要侧重于地聚合物的研制阶段，而针对GPC材料在高温情况下力学性能的研究较少。GPC的热学和力学性能与传统硅酸盐混凝土有很大的不同，本项目将分别针对高温状态和高温后钢筋与GPC的粘结强度的影响及其破坏机理开展研究。研究结果可为火灾后建筑结构的经济合理加固，推进建设循环经济、资源节约型和环境友好型社会有重要意义。

    为了深入地研究地聚合物混凝土（GPC）在高温环境中的力学性能，需要高温试验与数值分析两项并重。浙江大学结构工程研究所与普利茅斯大学在混凝土结构耐久性领域的研究背景相近，学术观点相投，而研究方向又各有所侧重。浙江大学在试验研究和数值模拟等方面开展了大量工作，而普利茅斯大学在GPC工程实际应用和试验数据获取方面取得了大量有意义的成果。因此，两个单位的合作可以充分发挥各自的优势，并利用对方单位的强项，实现本项目的研究目标。

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<aside> 🌏 合作意义

🇨🇳对中方的意义

    研究成果将有助于中国加快GPC的使用，从而迅速降低水泥使用量。目前，中国水泥产量占世界一半以上，仅2019年，中国水泥产量约为22亿吨。通过本项目合作研究，有助于中方人员了解与GPC相关的研究和GPC加筋结构防火安全的最新进展，有助于提高中国在本研究领域的领先地位。同时，并有助于中国在GPC的生产和应用方面发挥国际领先作用。该项目的潜在发现不仅将吸引公共和私营部门在科学领域的广泛兴趣，而且还可能通过解决混凝土制备过程中的原材料资源短缺为中国带来经济优势。此次合作还有助于提升中国科学家的国际知名度和影响力，促进与国外大学开展更多的研究合作。

🇬🇧对英方的意义

    研究成果将对英国混凝土行业、社会和政策制定者产生重大影响。英国混凝土行业为英国国内生产总值贡献了约180亿英镑，直接雇佣了7.4万名员工，支持了另外350万个就业岗位。本研究成果可以示范如何使用地聚物制造低碳混凝土，以及如何使用开发建造更快、更具成本效益的GPC结构。该项目将提高英国在利用工业副产品、开发绿色混凝土等方面的研究能力，并逐渐到2050年向净零碳社会过渡。通过利用本项目的成功经验，更多的英国研究人员将参与同中国大学的研究合作。研究成果对提高GPC混凝土结构的安全性能，促进基础设施经济的可持续发展有重要作用。

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<aside> 💡 研究成果

Part 1 基于多目标优化的地聚合物混凝土材料配合比设计研究

材料性能数据库构建：本研究已系统收集并整理了各类地聚合物原料（硅质材料、碱激发剂、掺和料等）的基本性能数据，初步建立了地聚合物混凝土材料性能数据库，明确了影响地聚合物混凝土性能的核心变量，如图为后续多目标优化提供了详实的数据基础。基于响应面的地聚合物混凝土配合比优化设计，寻求不同龄期力学性能和工作性指标的最佳平衡点，实现地聚合物混凝土的高效优化配置。对多目标优化得到的配合比方案进行了实验室制样和严格测试，结果显示，优化配合比的地聚合物混凝土在各项性能指标上均有显著提升，证实了优化模型的有效性和实用性。通过微观扫描，发现优化后的地聚合物混凝土配合比相比传统配合比，可大幅度提高基体的力学性能与密实度，为推动地聚合物混凝土在绿色建筑和可持续发展领域的应用奠定了坚实基础。

（a）前驱体成分含量三元相图