根特大学郑琨鹏博士做客同济-科思创杰出学者讲坛

应孙振平教授的邀请,比利时根特大学郑琨鹏博士到我院做客同济-科思创杰出学者讲坛,就其博士研究生期间所做的科研工作为我院相关专业师生作学术报告,并与与会者就相关研究问题展开深入地交流和探讨。

1.    郑琨鹏博士个人简介

郑琨鹏博士是同济大学材料科学与工程学院材料科学与工程专业2009届本科毕业生,2012届硕士毕业生,师从孙振平教授,于2012年获国家留学基金委资助前往比利时根特大学攻读博士学位,师从Luc Taerwe教授。

郑琨鹏博士致力于Alkali-SilicaReaction (ASR) 的机理研究,提出了对碱骨料反应导致混凝土开裂有重要意义的反应环生成与发展的化学机理,取得了一系列重要成果。在攻读博士学位期间,其主导了根特大学Mangel实验室与比利时哈塞尔特大学材料研究所Peter Adriaensens教授全面合作关系的建立。同时,凭借着出色的工作表现,郑琨鹏博士有幸被选为博士生代表在比利时根特大学结构系与日本北海道大学合作与交流会上展示其研究成果。随后,在根特大学中国平台成立10周年庆典上向比利时王国副首相兼发展合作大臣Alexander De Croo与中国驻比利时王国大使曲星先生汇报并展示其研究成果。

2.    学术报告概况

本次学术报告在德才馆328会议室如期举行。首先由孙振平教授对郑琨鹏博士的个人教育经历及所获荣誉进行简要介绍。

1 孙振平教授向听众简要介绍郑琨鹏博士

孙振平教授的介绍结束后,郑琨鹏博士开始进行学术报告,题目为:Investigation of the Formation andEvolution of Alkali-Silica Reaction Gel in a Chemical Model System Simulating aCementitious Environment (化学模拟水泥环境下碱骨料反应凝胶的生成与演变)。

混凝土是当前用量最大最为重要的建筑材料,众所周知,胶凝材料中的碱性氧化物(Na2OK2O等)与集料中的活性成分在一定条件下会发生碱骨料反应,这一反应的危害极大,一旦发生会使混凝土内部产生不均匀的膨胀应力,严重时会导致结构丧失承重能力而被拆除,堪称混凝土的“癌症”(如图2所示)。因此,厘清混凝土碱骨料反应的过程及机理是解决这一问题的关键。

2 混凝土碱骨料反应的危害

“他山之石,可以攻玉”,郑博士用这简短精炼的八个字总结其近5年的科研工作。经过大量的文献研读以及抽丝剥茧的分析探索,郑博士提出了以“化学模拟体系”为“石”来研究“混凝土碱骨料反应”这块“玉”的试验方案,在真实且具有代表性的前提下规避了混凝土体系的复杂性和不均匀性所带来的不利影响,从微观视角透视宏观现象,使其研究成果具有极高的学术理论意义及实践指导价值。

3 郑琨鹏博士对其近5年科研工作的高度总结

 


4 Alkali Silicate的形成与发展过程

 

郑博士提出的化学模拟体系为:用硅灰代表集料中的活性成分,NaOH溶液代表水泥中的碱性氧化物,Ca(OH)2溶液代表水泥浆体孔溶液,实现了对混凝土内环境中骨料与水泥浆体的固相、液相及其界面的模拟。通过使用多种检测手段(pH meterICP-OESBETm2/g)、Acid-thermaltreatmentNuclear Magnetic Resonance(NMR)等)对混凝土碱集料反应产物之一的Alkali Silicate的产生与发展进行了跟踪。结果表明,在Alkali Silicate的形成与发展过程中,存在于液相中的Si4+浓度不断上升并最终恒定,OH-浓度不断下降并最终恒定;与此同时固相中存在于Alkali SilicateSi-O网络结构不断受到破坏并最终形成一个较为开放的、由链状及层状Si-O结构组成的网络结构。

进一步地,使处于不同发展阶段的Alkali SilicateCa(OH)2在不同配合比条件下进行反应,运用多种化学、物理、流变学及力学检测测量手段(XRDTGANMROscillatoryRheologySEM-EDSNano-indentation)对其反应产物进行研究。这一过程模拟了混凝土中碱集料另一主要反应产物Calcium Alkali Silicate的生成与发展(如图5所示)。结果表明,在Calcium Alkali Silicate的形成与发展中,整个体系在短时间内(<1小时)经历了极大的硬化过程(rigidification)且具有一定的持续性。在此过程中,体系中反应物Alkali SilicateCa(OH)2的含量随反应的进行而减少;构成反应产物Calcium Alkali SilicateSi-O网络结构在反应的初始阶段解聚合,并在反应末期(72小时后)逐渐重聚合形成一个极为复杂的结构(如图6所示)。所形成的Calcium Alkali Silicate具有一定的力学性能,其弹性模量稍低于水泥浆体并远小于集料的弹性模量。结合所建立的化学模型以及所取得的结论,从碱集料反应产物ASR Gel的生成与发展的角度提出了混凝土碱集料反应的产生及其引发的膨胀性破坏的解释和机理(如图7所示),并运用该机理进一步模拟了碱集料反应及其产物在集料与水泥浆体界面上发生的相关反应。

 

5 Calcium AlkaliSilicate的形成与发展过程

6 Si-O的解聚合与重构过程示意图

7 碱集料反应引起的膨胀破坏示意图

3.    结语

本次学术报告吸引了多个相关课题组的师生前来听取,大家纷纷表示受益颇多,不仅在报告中学到了与课题相关的知识,对自己的研究领域有了更深的理解,而且通过与优秀的郑琨鹏博士的交流与探讨,更加拓宽了科研视野,丰富了自己的知识储备,进一步提高了国际化水平。

8孙振平教授向郑琨鹏博士赠予纪念礼物

9参加学术报告师生合影

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