基于集料功能設(shè)計的水泥石界面性能研究.pdf

1、混凝土是一種多相多層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,混凝土各相間性能的匹配性和相間弱界面過渡區(qū)的存在是影響結(jié)構(gòu)與性能的最主要問題。相與相之間的界面,尤其是水泥石-集料之間的界面結(jié)合情況,對混凝土力學(xué)性能和耐久性有著十分重要的影響。以往對改善界面過渡區(qū)的研究大多數(shù)集中在對水化產(chǎn)物性能提高、外加輔料增強(qiáng)作用以及集料的簡單處理等方面,尚不能形成從材料組成與結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的層面實(shí)現(xiàn)突破。本文針對該問題,提出了通過采用功能集料的技術(shù)方法,改善與優(yōu)化水泥石與集料的界

2、面過渡區(qū),從本質(zhì)上解決影響混凝土結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵問題,大幅度提高混凝土的性能特別是耐久性。豐富和完善混凝土設(shè)計理論,為高技術(shù)混凝土的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　 論文進(jìn)行的主要工作和取得的重要成果有:
　　 在深入分析界面過渡區(qū)特性和形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出功能集料的設(shè)計理念。在混凝土中,功能集料既具有增強(qiáng)與優(yōu)化ITZ的作用,又具備調(diào)整和控制水泥石形成的功能。依據(jù)材料設(shè)計原理與技術(shù)方法,研究提出了功能集料的理想結(jié)構(gòu)

3、模型。功能集料的理想結(jié)構(gòu)由多孔的高強(qiáng)基體和具有表面水化活性反應(yīng)層兩部分組成。在這種混凝土中,功能集料的表面通過良好的水化反應(yīng),增強(qiáng)與水泥石的粘接;功能集料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)能提供儲水和釋水的轉(zhuǎn)換空間,能對水泥石及界面起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用,可從根本上增強(qiáng)和改善界面過渡區(qū),提高混凝土的整體性能,為高技術(shù)混凝土的研究與開發(fā)提供了新的途徑。
　　 根據(jù)所研究提出的功能集料的理想結(jié)構(gòu)模型,研究提出了功能集料的設(shè)計與制備方法。功能集料由高強(qiáng)的多孔基

4、體和表面水化活性層組成。系統(tǒng)研究了基體的材料組分、礦物組成、以及工藝參數(shù)對其微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律,確定原材料的合理組成以及制備的關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明具有良好熱穩(wěn)定性作用的堇青石的引入可減少集料在急冷過程中形成微裂縫,從而提高集料的強(qiáng)度,降低吸水率。通過選擇不同的表面活性層材料體系,研究了添加劑對表面物質(zhì)組成的影響,結(jié)合基體材料與表面活性層材料比例的合理設(shè)計,制備出表面以β-C2S,內(nèi)部以莫來石和堇青石為主要組成的功能集料,其筒壓強(qiáng)

5、度達(dá)到13.5MPa,真空飽和吸水率低于8％,具有良好的力學(xué)性能和設(shè)計功能。
　　 采用SEM、EDXA、顯微硬度等測試方法,研究功能集料的表層活性礦物的水化反應(yīng)特征。由于β-C2S的早期水化活性低,且高溫生成時可能會被一些玻璃相包裹,集料表層在28d以后逐漸表現(xiàn)出水化活性,集料表面的Ca逐漸向水泥石遷移,Ca/Si降低,生成的水化產(chǎn)物可修復(fù)早期水化產(chǎn)生的裂縫并填充界面過渡區(qū)的孔隙,界面顯微硬度得以提高。通過研究水灰比、礦物摻合

6、料與摻量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境對集料界面過渡區(qū)性能和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,結(jié)合直接觀察法和顯微硬度方法,系統(tǒng)研究了功能集料對水泥石的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng),探明集料與水泥漿體界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)形成規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制。
　　 系統(tǒng)研究了功能集料制備混凝土的力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性以及抗?jié)B性性能,建立了混凝土的內(nèi)部相對濕度和自收縮的線性規(guī)律:AS=kRH+6。隨著混凝土內(nèi)部相對濕度RH的降低,其自收縮值A(chǔ)S增加,可通過預(yù)濕功能集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)有效降低混凝土的自收縮。功能集料