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水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的细观力学机理研究

李犇  
【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。


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