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基于渗流理论的水泥基材料水化机制研究

颜红专  
【摘要】:随着计算材料学的快速发展,人们对新型高性能水泥基材料的需求越来越高,这使得研究者不得不迫切地想要利用更新的理论及更先进的方法和手段来研究水泥基材料的水化过程及硬化水泥基材料浆体微结构与性能的关系。水泥基材料是一种复杂非均质的多孔材料,本文首先采用分形理论描述微结构内孔的随机分布状态特征,得到硬化水泥基材料浆体结构是一种具有随机几何特征的结构。同时利用实验数据得到了孔分形维数与孔其他特征参数的变化关系,结果表明孔分形维数也能被用来作为一个表征孔隙结构的特征参数。然后运用渗流理论对硬化水泥基材料浆体结构加以描述,认为浆体结构可以看做一种多色渗流问题,并简述了该理论在计算机模拟过程中的运用,为以后提出基于渗流理论的水泥基材料水化数值模拟的设想提供了新的思路和方法。最后,本文通过拟合实验数据曲线,对本文模型及其他几种应用经典模型做了对比。(1)运用几种典型且应用广泛的半经验公式对实验的总体数据进行了拟合,结果表明基于孔渗流理论的孔隙率-强度模型的拟合曲线,其相关系数均达到了0.9以上,较其他几种模型的相关性要高。(2)掺有矿物掺合料(如钢渣、矿渣及粉煤灰)的水泥基材料初始强度及水化过程中各龄期的强度均相对于普通水泥有所提高。对于同种掺合料,随着掺量的增大,其初始强度及实验影响因子大体上呈增大趋势,其中加入钢渣的水泥基胶凝体系的影响因子增大最为明显,这表明当矿物掺合料加入后,复合体系结构内的固相物质比例增大,从而使得整体的强度提高。影响因子的增大,意味着复合体系浆体结构的宏观力学性能受到靠近三维、远离二维平面出现孔渗流影响的程度越大。(3)利用SPSS软件对复合体系的强度与CH的含量的关系做了回归分析,发现两者之间具有一定的相关性,但随着矿物掺合料掺量增加其相关性减小。(4)本文在水泥水化理论基础知识的基础上,运用渗流理论,提出了水泥基材料水化数值模拟的设想,认为该设想是可行的。虽然渗流理论能够半定量地描述水泥基材料微结构与宏观力学性能的问题,但是距离人们对高新水泥胶凝材料的高要求,还远远不够。本文提出的设想距离实现还有些许时间,在此只是针对模拟过程中的一些问题做了些简单的改进及分析。


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