现代水泥基材料的微结构形成过程三维重构及其传输性能研究

摘要

随着我国经济的迅猛发展，基础工程建设规模空前，以使用矿物掺合料和高效减水剂为代表的现代混凝土得到广泛应用，既降低了环境污染，节约了能源和资源，又大幅度地提高了砼的工作性能和物理力学性能。然而，大量基础工程处于海洋、港口、盐湖以及北方低温等严酷自然环境中，混凝土在服役过程中过早地出现损伤劣化，耐久性问题日益突显，对人民生命财产安全造成了严重的威胁。
　　 本文基于传输理论及多尺度方法系统分析了侵蚀性介质在混凝土的孔、界面和裂纹等通道中侵入过程，探讨了传输通道的形成以及介质传输速度与混凝土微观结构之间的关系，取得的成果如下:
　　 采用CEMHYD3D水化模型基于真实胶凝材料粒径分布、矿物组成等信息，模拟胶凝材料水化过程，获取水化产物、水化过程各种理化参数，以及不同水化程度下微结构信息，探索现代混凝土材料微结构形成机理。自行开发了适用于CEMHYD3D——模型的BSE-EDS图片数字化处理程序，定量分析了不同水灰比(0.23、0.35、0.53)、矿物掺合料种类（粉煤灰和矿渣）与掺量(30％、50％、70％)等关键因素对现代水泥基复合材料早期水化机理与3D微结构形成过程的影响规律。通过与大量试验数据对比发现该模型预测精度高。该水化模型为研究现代水泥基复合材料早期凝结硬化过程、微结构形成机理奠定了科学基础。
　　 基于混凝土微结构特征和氯离子传输特点，将混凝土划分为三个尺度:(1)纳米尺度，考虑高密与低密两种C-S-H凝胶;(2)微米尺度，考虑水化产物、未水化水泥颗粒与毛细孔;(3)毫米尺度，考虑水泥基体、界面过渡区和集料。在不同尺度下，利用计算机技术重构了C-S-H、水泥净浆和砼的3D微结构，并计算出对应的氯离子扩散系数，最后采用多尺度过度理论建立了从纳观→微观→宏观的现代混凝土氯离子传输模型。另外，本文还改进了硬芯软壳模型(HCSS)，并以该模型模拟了带裂缝砼的3D微结构，分析了裂纹体积分数、长度和深度等参数对砼传输性能的影响。上述模型为预测严酷环境下混凝土的服役寿命预测提供了理论指导。
　　 为了验证模型的可靠性与准确性，分析模型各参数对传输性能的影响规律，本文设计与制备了净浆、砂浆和混凝土试件。通过RCM法测试氯离子扩散系数，利用DSC-TG、XRD和压汞测试等试验方法验证水泥水化程度和CH、CSH和孔隙等物相含量，通过水化热方法测试水泥净浆早期水化放热，并将试验结果与模型计算进行比对，发现二者吻合良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水泥水化及微结构形成过程

1．2．2 复合胶凝材料体系水化及微结构形成过程

1．2．3 水泥基材料水化过程的实验研究与数值模拟

1．2．4 氯离子传输性能

1．3 研究思路与主要内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 主要研究工作

1．4 主要创新点

第二章 原材料和实验方案

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 矿渣

2．1．3 粉煤灰

2．1．4 集料

2．2 实验方案

2．2．1 配合比

2．2．2 成型及养护

2．2．3 力学性能

2．2．4 凝结时间

2．2．5 X射线衍射分析(XRD)

2．2．6 扫描电镜分析(SEM)

2．2．7 差示扫描量热—热重分析(DSC-TG)

2．2．8 化学结合水

2．2．9 水化热测试

2．2．10 孔结构测试

2．2．11 RCM快速氯离子试验

2．3 本章小结

第三章 基于CEMHYD3D模型的水泥水化过程三维重构

3．1 背散射扫描电子成像与能谱(BSE-EDS)分析

3．2 BSE-EDS图像的分析处理

3．2．1 图像获取

3．2．2 二维图片数量确定

3．2．3 图像处理

3．2．4 自相关函数

3．2．5 水泥体视学参数的提取

3．3 水泥浆体初始微结构的三维重构

3．3．1 水泥颗粒粒径分布

3．3．2 水泥浆体初始微结构三维重构

3．3．3 分相

3．4 水泥水化及微结构形成三维重构

3．4．1 元胞自动机

3．4．2 CEMHYD3D水化过程的数值模拟

3．5 矿物掺合料-水泥复合胶凝体系水化过程的数值模拟

3．5．1 粉煤灰-水泥复合胶凝体系

3．5．2 矿渣-水泥复合胶凝体系

3．6 本章小结

第四章 氯离子传输的多尺度模拟及验证

4．1 引言

4．2 纳米尺度C-S-H凝胶结构模拟与计算

4．2．1 C-S-H凝胶结构的模拟

4．2．2 双电层的影响

4．2．3 高密度与低密度C-S-H凝胶结构的模拟

4．3 微米尺度水泥浆体微结构模拟与计算

4．3．1 毛细孔、C-S-H凝胶和非传输相

4．3．2 高密度与低密度C-S-H凝胶的划分

4．4 界面过渡区微结构模拟与计算

4．4．1 界面过渡区徽结构的模拟

4．4．2 界面过渡区与水泥基体扩散系数比值计算

4．5 砂浆和混凝土结构模拟与计算

4．5．1 使用HCSS模型模拟混凝土微结构

4．5．2 砂浆和混凝土相对扩散系数的计算

4．6 裂缝对水泥基材料氯离子传输的影响

4．6．1 裂缝尺度的选取

4．6．2 带裂缝水泥基材料微结构的3D重构

4．7 本章小结

第五章 模拟结果验证与分析

5．1 水泥水化模拟与验证

5．1．1 抗压强度

5．1．2 水化放热

5．1．3 水化产物

5．1．4 水化程度模拟与验证

5．1．5 逾渗

5．1．6 毛细孔隙率

5．2 矿物掺合料-水泥复合胶凝体系的水化模拟

5．2．1 矿物掺合料对水化热的影响

5．2．2 矿物掺合料对CH含量的影响

5．2．3 矿物掺合料对水泥水化程度的影响

5．3 水泥基材料传输性能模拟结果与验证

5．3．1 C-S-H凝胶的传输系数模拟

5．3．2 水泥浆体的传输系数模拟

5．3．3 砂浆和混凝土的传输系数模拟

5．4 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢