水泥基材料微結(jié)構(gòu)及其彈性性能的多尺度研究.pdf

1、水泥基材料是指以水泥作為膠凝材料的工程材料，水泥基材料的彈性性能是建立其力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，影響其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形及開(kāi)裂性能的重要力學(xué)性能參數(shù)。然而，由于水泥基材料組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前尚未能實(shí)現(xiàn)基于原材料組成和硬化漿體微結(jié)構(gòu)的宏觀彈性行為的預(yù)測(cè)。
　　本論文通過(guò)對(duì)純水泥漿體及摻有粉煤灰、礦粉和硅灰的水泥漿體在微納米尺度彈性性能的系統(tǒng)研究，獲得水膠比、齡期、摻合料等對(duì)水化產(chǎn)物種類和分布的影響規(guī)律，并從微觀尺度解釋礦物摻合料對(duì)水泥漿體力學(xué)

2、性能的貢獻(xiàn);通過(guò)對(duì)水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)的組成、結(jié)構(gòu)和彈性性能的系統(tǒng)研究，探索水膠比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及礦物摻合料等關(guān)鍵因素對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響規(guī)律;在前述研究的基礎(chǔ)上，提出了含有摻合料的復(fù)雜膠凝體系硬化漿體的結(jié)構(gòu)模型，并運(yùn)用該模型結(jié)合細(xì)觀力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)從微納米尺度彈性性能到細(xì)觀和宏觀尺度水泥基材料的彈性性能的計(jì)算。本論文主要研究?jī)?nèi)容及成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1)微納米尺度水泥基材料彈性性能
　　采用納米壓痕技術(shù)(NI)、背散射圖像分

3、析技術(shù)、能譜分析技術(shù)、熱分析技術(shù)等手段系統(tǒng)研究了水膠比、齡期、摻合料等對(duì)水化產(chǎn)物種類、分布和彈性性能的影響規(guī)律。
　　本論文通多引入聚類分析中類確定Gap方法和基本準(zhǔn)則下的隨機(jī)數(shù)法解決了“統(tǒng)計(jì)納米壓痕技術(shù)”(SNT)中原存在的初值設(shè)定人為因素的問(wèn)題;同時(shí)，通過(guò)多技術(shù)復(fù)合論證，確定了NI測(cè)試表征的具有特征彈性模量的真實(shí)物相，并通過(guò)引入多孔介質(zhì)微觀力學(xué)分析出導(dǎo)致水泥漿體內(nèi)部水化產(chǎn)物(IP)和外部水化產(chǎn)物(OP)彈性性能差異的主要因素。

4、
　　經(jīng)過(guò)納米壓痕、背散射分析、能譜分析、熱重分析等多技術(shù)復(fù)合論證，SNT測(cè)試分析得出的具有彈性性能特征值的所謂“低密度水化硅酸鈣凝膠”(LD C-S-H)和“高密度水化硅酸鈣凝膠”(HD C-S-H)真實(shí)對(duì)應(yīng)物相應(yīng)為IP和OP。IP主要表征的是水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)與氫氧化鈣(CH)的夾雜;而OP主要表征是C-S-H與CH、鈣礬石、單硫型水化硫鋁酸鈣構(gòu)成的兩相或多相的混合。IP和OP都不是純C-S-H凝膠顆粒的堆積。

5、>　　2)復(fù)雜膠凝體系水泥漿體微結(jié)構(gòu)及表征模型
　　多技術(shù)測(cè)試論證了背散射圖像分析是研究水泥漿體微結(jié)構(gòu)的有效手段。自行開(kāi)發(fā)了背散射圖像處理程序，可以解決圖像中礦粉、粉煤灰等物相的分離問(wèn)題，在提高圖像分析效率的同時(shí)，使背散射分析可應(yīng)用于復(fù)雜膠凝體系水泥漿體物相組成的分析和計(jì)算。
　　基于掃描電子顯微鏡背散射(SEM-BSE)圖像分析研究了水化齡期、水膠比、礦物摻合料等因素對(duì)于水泥漿體微結(jié)構(gòu)的影響。
　　研究了多種水化動(dòng)力

6、學(xué)模型和微結(jié)構(gòu)表征模型，通過(guò)基于反應(yīng)方程式和固相體積變化率的微結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜膠凝體系水泥漿體組成物相的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算。研究了模型計(jì)算結(jié)果與背散射測(cè)試分析結(jié)果的差異，確定了適用于早齡期水泥漿體的微結(jié)構(gòu)表征模型和長(zhǎng)齡期復(fù)雜膠凝體系微結(jié)構(gòu)表征模型。
　　3)復(fù)雜膠凝體系水泥漿體彈性性能
　　測(cè)試研究了水泥漿體主要組成物相的彈性性能，并基于測(cè)試結(jié)果和微結(jié)構(gòu)模型的研究，通過(guò)連續(xù)介質(zhì)微觀力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜膠凝體系水泥漿體彈性性能的預(yù)

7、測(cè)。研究了預(yù)測(cè)結(jié)果與宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，確認(rèn)了預(yù)測(cè)模型對(duì)于早期水泥漿體和長(zhǎng)齡期復(fù)雜膠凝體系水泥漿體的適用性，并提出預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)方向。
　　4)砂漿界面過(guò)渡區(qū)微結(jié)構(gòu)和彈性性能
　　采用多技術(shù)復(fù)合原位測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)研究了水膠比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、礦物摻合料和養(yǎng)護(hù)制度等關(guān)鍵因素對(duì)砂漿界面過(guò)渡區(qū)微結(jié)構(gòu)和彈性性能的影響規(guī)律。
　　5)砂漿彈性性能的預(yù)測(cè)模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　綜合本論文復(fù)雜膠凝體系水泥漿體彈性性能、砂漿界面過(guò)渡區(qū)微結(jié)構(gòu)