增韧材料对水泥水化机制及力学性能影响

发布时间：2020-10-14 02:04

　　 现代钢筋混凝土结构向超高强,超大以及超长跨度发展,对水泥基材料的韧性要求越来越高。然而传统水泥基材料,其组成多样性、结构多孔性以及产物相容性差的特点导致其脆性大、变形性能差、延展性能差等缺陷特征,且强度越高,韧性越差,使得其难以满足现代化建设发展需求。新型纳米材料的出现,对水泥基材料韧性的提升提供一种新的途径。本文采用两种增韧材料,即磺化石墨烯(SGN)和阳离子型聚氨酯(PUC)纳米分散液,通过现代测试分析手段和宏观测试方法,研究了其对单矿水化、水泥溶解和水化过程、以及水泥基材料力学性能的影响,并且结合分子动力学模拟计算方法,研究了增韧材料优化水泥基材料韧性机制。其取得的主要研究结果有:建立了连续粉末溶解装置,系统研究了石膏粉末溶解动力学,提出了其溶解速率经验模型。并且采用该方法,研究了增韧材料对水泥溶解进程影响。由溶液中钙离子浓度变化计算可知,水泥在去离子水中溶解速率常数为0.51 mmol m~(-2) s~(-1),当PUC浓度分别为0.02、0.08以及0.2 g L~(-1)时,其对应的溶解速率常数分别为0.47、0.46以及0.27 mmol m~(-2) s~(-1);而当SGN浓度分别为0.02、0.08以及0.5 g L~(-1)时,其对应的溶解速率常数分别为0.49、0.47以及0.46 mmol m~(-2) s~(-1),由于SGN自身的弱酸性,影响了溶液pH值,改变了溶液性质,高浓度的SGN有利于水泥的溶解,但总体上,两种增韧材料均会降低水泥早期溶解速率,降低溶液中离子浓度,其中PUC作用效果更强。增韧材料的加入,由于其随机吸附于水泥以及C_3S颗粒表面活性反应点,会延长水泥以及C_3S水化诱导期,且随着掺量的增加,诱导期延长效果越明显,然而PUC和SGN的掺入会提高水泥以及C_3S后期水化3d的总放热量。通过定量X-射线衍射和扫描电子显微镜结果可知,与基准样相比,PUC和SGN的加入,会延缓水泥主要矿物C_3S在早期1d的消耗,但会促进其3d和28d水化程度,与此同时,增韧材料会降低水化产物CH的生成量,影响水化产物形貌。值得注意的是,PUC和SGN的掺入,鉴于其自身的电荷作用会对水化离子产生吸附,直接影响水泥水化产物CH形貌,诱导其产生结晶重排,改变水泥水化微观结构,使得其整体结构与自然界贝壳结构相似变得更加紧密有序。此外,PUC的掺入在不影响水泥基材料抗压强度前提下,能够显著增加其抗折强度和抗拉强度。当PUC掺量为0.5%时,其净浆水养7d后,其抗折强度和抗拉强度与基准样相比分别提高了36.4%和88.6%。对于掺有PUC砂浆而言,由于砂-浆体界面的引入,使得增强效果有所降低。同样地,SGN的掺入能够有效增加水泥净浆抗折强度以及拉伸强度,当其掺量为0.01%时,基准样相比,其净浆水养3d后抗折强度40.0%,水养7d后其抗拉强度则提高了58.2%。总体来说,增韧材料的加入均能够有效提高水泥基材料的折压比(1/K_(脆度系数))和拉压比值,表明两种材料均可改善水泥基材料的韧性。结合分子动力学模拟计算方法,揭示了增韧材料与水泥基材料相互作用机制,即增韧材料的掺入,会吸附于水泥颗粒表面活性点,减缓水泥溶解速率,随着溶解进行,溶液中离子浓度逐渐增大,但由于SGN和PUC表面官能团和电荷作用,溶液中钙离子会优先吸附于SGN和PUC的表面,随着钙离子浓度进一步增加,其表面优先达到氢氧化钙饱和浓度,结合SGN和PUC在CH不同晶面吸附能,可知氢氧化钙晶体优先在SGN和PUC表面形成,且存在结晶取向性。与此同时,当SGN浓度从0.01 g/L增加至0.12 g/L时,所得到CH颗粒粒径也会相应从7.1?m增加至23.4?m。因此,增韧材料的掺入,影响水化产物CH结晶排布及其形貌特征,使得整体微观结构以层状结构发展。本文主要研究了增韧材料对水泥水化进程和力学性能影响,揭示了增韧材料对水泥水化影响机制,指出了通过诱导水化产物CH晶体重排方式,使得微观结构以层状形式存在,这种结构可能是提高水泥基材料韧性的原因,为水泥基材料的原位增韧提供了理论依据。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528;TQ172.1
【部分图文】：

现代钢筋混凝土结构向超高强，超大以及超长跨度发展，使得其难以满足现代化建设发展需求，如图1-1 所示，因此对水泥基材料的超高韧性有着更高的要求。图 1-1 现代基础设施超高、超长及超跨度结构示意图Figure 1-1 Schematic of ultrahigh, ultralong and ultrawide constructure of moden infrastructure

最终表现为水泥基材料的准脆性特征，导严重影响混凝土结构的耐久性和适用性，尤其在严酷加剧，直接致使其服役寿命的降低。大量的试验研究几乎是不可以避免的。其中美国运输部在 1989 年上 40%的桥梁（238537/577710）存在不同程度的损坏的标准，若要将所有损伤桥梁恢复至安全标准，大概位于美国西弗吉尼亚的波音特普利桑特桥发生了突然杆的脆性断裂[5]，而 1995 年日本阪神地震，多座高，日本引以为豪的新干线使用不到十年，就出现了大我国基础设施工程不完全统计，2000 年至 2009 年期，不包括由地震引起[8]。而根据 2008 年 6 月 19 日交损毁数据，共有高达 6140座桥梁在汶川地震中受损[9

材料增韧措施了克服水泥基材料(砂浆、混凝土等)变形差、易开裂等缺点，韧水泥基材料，即纤维增韧、聚合物增韧以及纳米材料增韧。增韧水泥基复合材料(FRCCs)是建筑行业中发展较为成熟的改善混度等性能的水泥基材料[11]。其在受力破坏过程中，对于 FRC后才显得比较显著。纤维并没有很大影响基体的抗拉强度，只裂缝来增加韧性，归属为物理增强作用。有关纤维的物理性能了纤维增强增韧水泥基材料的力学示意图。
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本文编号：2840016