水泥基材料微結構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本構關系，影響其結構或構件變形及開裂性能的重要力學性能參數(shù)。然而，由于水泥基材料組成和結構的復雜性，目前尚未能實現(xiàn)基于原材料組成和硬化漿體微結構的宏觀彈性行為的預測。
　　本論文通過對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水泥漿體力學

2、性能的貢獻;通過對水泥砂漿界面過渡區(qū)的組成、結構和彈性性能的系統(tǒng)研究，探索水膠比、養(yǎng)護時間以及礦物摻合料等關鍵因素對界面過渡區(qū)的影響規(guī)律;在前述研究的基礎上，提出了含有摻合料的復雜膠凝體系硬化漿體的結構模型，并運用該模型結合細觀力學方法實現(xiàn)從微納米尺度彈性性能到細觀和宏觀尺度水泥基材料的彈性性能的計算。本論文主要研究內容及成果包括以下幾個方面:
　　1)微納米尺度水泥基材料彈性性能
　　采用納米壓痕技術(NI)、背散射圖像分

3、析技術、能譜分析技術、熱分析技術等手段系統(tǒng)研究了水膠比、齡期、摻合料等對水化產(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方法和基本準則下的隨機數(shù)法解決了“統(tǒng)計納米壓痕技術”(SNT)中原存在的初值設定人為因素的問題;同時，通過多技術復合論證，確定了NI測試表征的具有特征彈性模量的真實物相，并通過引入多孔介質微觀力學分析出導致水泥漿體內部水化產(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)過納米壓痕、背散射分析、能譜分析、熱重分析等多技術復合論證，SNT測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)真實對應物相應為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)復雜膠凝體系水泥漿體微結構及表征模型
　　多技術測試論證了背散射圖像分析是研究水泥漿體微結構的有效手段。自行開發(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題，在提高圖像分析效率的同時，使背散射分析可應用于復雜膠凝體系水泥漿體物相組成的分析和計算。
　　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于水泥漿體微結構的影響。
　　研究了多種水化動力

6、學模型和微結構表征模型，通過基于反應方程式和固相體積變化率的微結構模型，實現(xiàn)了復雜膠凝體系水泥漿體組成物相的體積分數(shù)計算。研究了模型計算結果與背散射測試分析結果的差異，確定了適用于早齡期水泥漿體的微結構表征模型和長齡期復雜膠凝體系微結構表征模型。
　　3)復雜膠凝體系水泥漿體彈性性能
　　測試研究了水泥漿體主要組成物相的彈性性能，并基于測試結果和微結構模型的研究，通過連續(xù)介質微觀力學方法實現(xiàn)了復雜膠凝體系水泥漿體彈性性能的預

7、測。研究了預測結果與宏觀實驗結果的差異，確認了預測模型對于早期水泥漿體和長齡期復雜膠凝體系水泥漿體的適用性，并提出預測模型的改進方向。
　　4)砂漿界面過渡區(qū)微結構和彈性性能
　　采用多技術復合原位測試技術系統(tǒng)研究了水膠比、養(yǎng)護時間、礦物摻合料和養(yǎng)護制度等關鍵因素對砂漿界面過渡區(qū)微結構和彈性性能的影響規(guī)律。
　　5)砂漿彈性性能的預測模型和實驗驗證
　　綜合本論文復雜膠凝體系水泥漿體彈性性能、砂漿界面過渡區(qū)微結構