摘要
纳米水泥基复合材料具有优异力学性能、高耐久性能以及多功能/智能特性，符合现代土木工程结构物规模化、复杂化、功能化及智能化的发展需求，具有广泛的应用前景。同时，水泥基材料作为一种多相复合材料，其粘结性能与结合界面特征在很大程度上影响了水泥基材料及其结构物的宏观性能。可以预见纳米填料可通过改善水泥基材料的粘结性能与结合界面特征提高水泥基材料及其结构物的宏观性能，但是纳米填料的种类、特性及掺量对水泥基材料粘结性能与结合界面特征的改善规律尚不明确，纳米填料对水泥基材料粘结性能与结合界面特征的改善机理和调控机制少有研究，纳米水泥基复合材料与骨料/旧水泥基材料/增强筋的粘结性能模型有待建立。因此，本文针对纳米水泥基复合材料的粘结性能与结合界面特征展开了系统研究，主要研究内容与研究成果如下: 1)通过三点弯曲试验、劈裂抗拉试验和中心拔出试验分别研究了纳米填料的种类、特性及掺量对水泥石-骨料、水泥砂浆-骨料和新旧水泥基材料和水泥基材料-钢筋/FPR筋界面粘结性能的影响规律。研究结果表明，与未掺纳米填料的试件相比，纳米填料复合水泥石-骨料界面、纳米填料复合水泥砂浆-骨料界面、纳米水泥基复合材料-旧水泥基材料界面粘结强度的绝对(相对)提高分别为3.03MPa(65.3％)、2.56MPa(42.8％)、0.8MPa(39.0％)。此外，掺入纳米填料可使水泥基材料-钢筋界面的极限粘结强度绝对(相对)增加1.25MPa(10.3％)，极限粘结滑移绝对(相对)降低0.592mm(56.5％);使水泥基材料-FRP筋界面极限粘结强度绝对(相对)增加12.37MPa(37.8％)，极限粘结滑移绝对(相对)降低2.274mm(40.0％)。纳米填料对水泥石-骨料、水泥砂浆-骨料和新旧水泥基材料和水泥基材料-钢筋/FPR筋界面粘结性能的改善效果总体上取决于其几何维度，即二维纳米填料＞一维纳米填料＞零维纳米填料。 2)采用扫描电子显微镜、电子能谱分析和纳米压痕等方法研究了纳米填料的种类、特性及掺量对水泥石-骨料、水泥砂浆-骨料、新旧水泥基材料和水泥基材料-钢筋/FPR筋界面特征的影响规律。研究结果表明，掺入纳米填料后界面区厚度降低，界面区水化产物更加致密，界面内水化硅酸钙凝胶的钙硅比升高、氢氧化钙晶体尺寸与含量显著降低。在破坏试验后，含有纳米填料的界面微观结构更加完整，破坏面内破碎的水化产物显著减少。此外，纳米填料会增加界面内部胶凝材料的水化程度，降低界面内微孔隙和低密度水化硅酸钙凝胶的含量，增加高密度水化硅酸钙、超高密度水化硅酸钙凝胶的含量，且生成了新的纳米中心效应诱导的超硬水化硅酸钙凝胶相，其弹性模量与高密度水化硅酸钙或超高密度水化硅酸钙凝胶类似，但硬度高达2.50GPa。 3)结合微观力学分析与分子动力学、离散元和细观力学模拟方法研究了纳米填料改善和调控水泥石-骨料、水泥砂浆-骨料、新旧水泥基材料和水泥基材料-钢筋/FPR筋界面的内在机制。研究结果表明，纳米填料在其迁移效应和骨料/旧水泥基材料/增强筋边壁效应的共同作用下会在界面区富集并发挥纳米中心效应:富集的纳米填料对钙离子和硅氧四面体有明显的吸附作用，从而形成纳米中心-壳单元进而在短程上提升水化硅酸钙凝胶的性能;同时，纳米填料在水化早期可通过吸附溶液内部离子优化一定区域内的水化产物，并通过粒子间相互作用使纳米中心-壳单元与周围水化产物形成整体，从而在长程上改善水泥基材料的性能。由于上述机制，纳米填料可显著提升水泥基材料的粘结性能进而改善结合界面。 4)建立了以纳米填料种类与掺量为主要参数的新旧水泥基材料粘结强度预测模型与水泥基材料-钢筋/FRP筋粘结-滑移本构模型。研究结果表明，基于纳米填料对新旧水泥基材料界面物理粘结力与机械咬合力的增强机制建立的粘结强度预测模型可准确地预测纳米水泥基复合材料-旧水泥基材料界面粘结强度;基于纳米水泥基复合材料-增强筋粘结-滑移曲线特征建立的包括初始、上升、下降和残余等四个阶段的粘结-滑移本构模型可准确地描述纳米水泥基复合材料-钢筋/FRP筋界面的粘结-滑移行为。
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