水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的细观力学机理研究

摘要

水化硅酸钙(C-S-H)凝胶是硅酸盐水泥熟料最丰富的水化产物，也是水泥基材料的DNA并承担水泥基材料90％以上的工程性能。研究表明，C-S-H凝胶不是一个坚固或稳定的相体，但其能够通过水化作用将水泥与骨料胶结为整体，并提升材料的整体性能。C-S-H凝胶的细观结构和晶体形态对水泥基材料的水化特性、宏观力学性能和耐久性能起到决定性地作用。基于多尺度研究方法揭示水化过程中C-S-H凝胶间的转化关系，并建立C-S-H凝胶的细观结构与水泥基材料宏观特性间的关系，是目前水泥基材料研究领域内重点与难点问题之一。本文基于理论和试验相结合的研究方法，采用材料科学和力学等学科交叉与融合的研究手段，首先建立了标准养护56天内不同类型间C-S-H凝胶的转化规律，依据C-S-H凝胶的转化机理方程建立了C-S-H凝胶和水泥砂浆的力学参数计算方程。其次，结合量子力学和化学反应动力学提出了水泥水化的反应速率方程、细观反应动力学方程和水化程度计算方程，并建立水泥水化程度与水泥砂浆的宏观峰值应力间的关系。然后，基于C-S-H凝胶的转化机理，结合细观力学中均匀化理论，提出了水泥砂浆的水化应力方程。最后，考虑梯度效应、水泥砂浆的宏观峰值应力和孔隙结构变化，建立了水泥砂浆的抗压强度、抗折强度、冻融损伤和冻融循环作用后的内部应变方程。本论文主要包括以下几个方面的内容:
　　1.C-S-H凝胶间的细观转化机理
　　对标准养护56天内水泥砂浆试件的宏观pH值、表面含水率、细观晶体含量和形态进行了理论和试验研究，建立了C-S-H凝胶转化过程中的结合水率方程和pH值判定方程，并通过TG-DTA试验结果对结合水率方程和pH判定方程进行了补充。然后，基于建立了C-S-H(Ⅰ)型和C-S-H(Ⅱ)型凝胶间转化的机理方程并得到不同类型C-S-H凝胶间转化过程的热力学平衡常数。最后，依据C-S-H凝胶的转化方程建立了C-S-H凝胶和水泥砂浆的力学参数间的关系方程。
　　2.水泥水化的细观动力学机理
　　通过分析水化过程中水泥砂浆内液相、气相、固相和孔结构的变化，基于量子力学和化学反应动力学建立水泥水化反应的反应速率方程、水化反应的细观动力学方程和水化程度的计算方程，并建立了水化程度与水泥砂浆的宏观峰值应力间的非线性关系。
　　3.水泥砂浆的水化应力方程
　　依据细观力学均匀化理论，建立了水泥砂浆的水化应力方程，并考虑应力梯度效应、加载时间尺度效应、松弛时间尺度效应、孔结构扩展尺度效应和水泥砂浆的宏观峰值应力，建立了水泥砂浆的宏观抗压强度和抗折强度的细观计算方程。
　　4.水泥基材料的细观冻融损伤机理方程
　　首先，通过分析冻融循环作用下水泥砂浆的孔结构变化，建立冻融循环作用下水泥砂浆细观损伤的迭代计算方程。然后，依据冻融循环作用后水泥砂内孔结构的静水压、结晶压、低温吸附压和水泥砂浆内应力的变化，建立冻融循环应力方程。结合水泥砂浆的粘弹性本构关系，建立了冻融循环作用后孔结构的扩展应变方程，并基于此计算水泥砂浆的内应变。
　　综上所述，本文通过分析标准养护56天后水泥砂浆的矿物相晶体分布、矿物相摩尔浓度、结合水率、孔结构分布等细观特征的变化，建立了不同类型C-S-H凝胶间的转化方程、C-S-H凝胶和水泥砂浆的力学参数计算方程。然后，C-S-H凝胶的细观转化方程，建立水泥水化的细观动力学方程，并得到水泥水化程度的细观计算方程和水泥砂浆的宏观峰值应力计算方程。最后，依据细观力学中均匀化理论，建立水泥砂浆的水化应力的细观计算方程，并与水泥砂浆的宏观力学特性和抗冻耐久性建立多尺度关系。本文建立的细观模型或计算方程为进一步研究水泥基材料的宏观特性提供了理论和试验相结合的、多学科融合的方法和参考。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1我国水泥材料的发展概述

1．2水泥水化研究现状

1．2．1水泥熟料的化学组分的研究概述

1．2．2水泥水化产物的研究概述

1．2．3水泥水化的力学研究意义

1．3 C-S-H凝胶的国内外研究现状

1．3．1 C-S-H凝胶的组成和分类研究

1．3．2 C-S-H凝胶的水化模型研究

1．3．3 C-S-H凝胶的力学与耐久性研究

1．3．4 C-S-H凝胶研究中存在的问题

1．4本文的选题依据及主要研究内容

1．4．1本文选题依据

1．4．2本文的主要研究内容

第2章C-S-H凝胶的宏-细观试验设计

2．1引言

2．2水泥砂浆的试验材料及制备概况

2．2．1水泥砂浆的试验材料

2．2．2水泥砂浆试件的制备与养护

2．3 C-S-H凝胶的试验方法及设备

2．3．1水泥砂浆的力学与抗冻性试验方法及设备

2．3．2 C-S-H凝胶的细观结构测试方法及设备

2．4本章小结

第3章水泥水化生成C-S-H凝胶的细观机理

3．1引言

3．2水泥水化生成C-S-H凝胶时的宏观特性研究

3．2．1水泥水化生成C-S-H凝胶时的水分结合规律

3．2．2 C-S-H凝胶间转化时的pH值判别方程

3．3水泥水化生成C-S-H凝胶时的细观特性研究

3．3．1水泥水化生成C-S-H凝胶时的细观形态分析

3．3．2水泥水化生成C-S-H凝胶时的热重-差热分析

3．3．3水泥水化生成C-S-H凝胶时的晶体结构分析

3．3．4 C-S-H(Ⅰ)型和C-S-H(Ⅱ)型凝胶间的细观转化关系

3．4水泥砂浆的力学参数的细观研究

3．5本章小结

第4章水泥水化的细观动力学机理

4．1引言

4．2水泥水化的细观计算模型

4．3水泥水化的细观动力学机理

4．3．1水泥水化反应的相平衡动力学方程

4．3．2水泥水化反应的水结合动力学方程

4．3．3水泥水化反应的孑L结构重分布方程

4．3．4水泥水化程度的细观计算模型

4．4水泥水化程度的细观计算结果分析

4．4．1水泥水化的细观试验分析

4．4．2水泥水化程度的细观计算参数

4．4．3水泥水化程度的细观计算结果与分析

4．5基于水化程度计算水泥砂浆的峰值应力

4．6本章小结

第5章基于细观结构变化的水泥砂浆宏观特性分析

5．1引言

5．2水泥砂浆的水化应力

5．2．1水泥砂浆的水化应力的计算机理

5．2．2水泥砂浆的水化应力的计算结果分析

5．3细观尺度下水泥砂浆的力学特性分析

5．4细观尺度下水泥砂浆的冻融损伤分析

5．4．1冻融循环作用下水泥砂浆的细观损伤机理

5．4．2冻融循环作用下水泥砂浆内部应变的细观分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢