水泥基材料微观力学性能的纳米压痕表征与多相分析
发布时间：2021-11-19 07:12
水泥基材料是世界上用量最大的建筑材料,具有多相、多尺度特征,其微观结构与微观各相的力学性能构成材料整体性能的基础。建立水泥基材料微观与宏观性能之间的多尺度联系,是未来实现基于性能的材料设计的必要途径。为此,本研究基于实验力学方法,旨在对水泥基材料微观各相的力学特性及其影响因素展开分析。对典型水灰比（w/c=0.2,0.4,0.6）和典型水泥等级的（P.O.32.5,P.O.42.5,P.O.52.5）的水泥净浆试件进行点阵纳米压痕试验,采用解卷积分析解析微观各相的弹性模量和硬度。为克服解卷积分析的不足,引进了机器学习中的聚类分析方法,用以分析多相材料点阵纳米压痕的混合试验数据。采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等现代材料测试手段,结合灰度分析、聚类分析Rietveld精修和线性回归分析等数据处理方法,对水泥基材料微观结构与矿相的多相特征进行了分析,并进一步考察了试验参数、材料参数和高温环境对其微观结构和微观力学性能的影响。得到主要成果如下:1)采用SEM观测水泥基材料的微观形貌,发现水泥基材料微观结构随水灰比降低、水泥强度等级提高和水化程度提高而更加密实;同时通过图像处...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国佛罗里达人行天桥坍塌事故Fig.1-1Floridapedestrianbridgecollapse
上海交通大学硕士学位论文2包括力学性能、耐久性能及其他物理化学性能等。但是，C-S-H凝胶颗粒尺度小，组成不定，属于无定形状态，单一的研究工具和方法无法获得对它的完整认识[5]，为此研究者在物理模型、微观测试与表征技术等多各方面开展了大量研究。图1-1美国佛罗里达人行天桥坍塌事故Fig.1-1Floridapedestrianbridgecollapse为解释水泥基材料的特性，研究者提出了多种关于水泥基材料的多尺度概念模型[5]，。一种典型的混凝土多尺度模型如图1-2所示。宏观尺度上，混凝土由水泥石和粗细骨料组成；然后是砂浆尺度，表现为沙子嵌入水泥净浆中；紧接着则是水泥净浆尺度，这一尺度主要是凝胶材料和其他水泥熟料夹杂物；最微观层面是水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)。Jennings[5]研究认为，C-S-H包含低密度C-S-H和高密度C-S-H两种基本类型，其组成相当，孔隙率和堆积密度不同。图1-2水泥基材料多尺度模型[5]Fig.1-2Four-levelmicrostructureofcement-basedmaterials[5]水泥基材料的宏观性能诸如强度、耐久性、韧性、耐高温性和抗腐蚀性等，也与水泥基材料的微观结构与力学特性有直接关系。图1-3是混凝土材料多尺度破坏机理示意图，混凝土材料的宏观性能与其微观孔隙结构和热力学状态密切相
上海交通大学硕士学位论文3关；反而言之，混凝土微观层面的物理化学状态也与其在宏观层面受到的荷载与环境作用紧密关联。简单的说，一方面，可以认为混凝土宏观层面的破坏是由微观结构的改变和破坏一步步发展而来，微观层面的破坏发展为细观损伤，再直接导致宏观破坏，并最终造成混凝土结构整体破坏。另一方面，混凝土微观尺度的变化是由环境的物理、化学、力学的作用导致的。前者是混凝土材料性能多尺度概念的内涵，而后者正是混凝土耐久性概念的内涵。图1-3混凝土材料破坏机理[6]Fig.1-3Schemaoffailuremechanismofconcretematerial[6]目前，我们对水泥基材料的认识，首先需要加强对其微观结构与性能的理解。这一方面的研究主要受限于两个方面：一是微观结构的测试技术问题，这一问题随着现代测试技术的发展逐步得以解决，目前可以采用扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)、X射线衍射(X-rayDiffraction，XRD)等手段测试水泥基材料的微观物理形貌和化学组分，尤其是纳米压痕技术的出现，使得准确表征材料的微观力学性能成为可能；另一个问题是水泥基材料微观多相特征的数学表征与分析，这需要从统计数学方法中加以深化和拓展。纳米压痕提供了一种当前最先进的材料微观测试技术，并被MIT研究者引入到水泥基材料的研究中，使全面研究混凝土微观结构及微观各相力学性能对宏观性能的影响成为可能。基于此，在本研究中，将采用纳米压痕技术对典型水泥基材料的微观各相力学性能开展测试，并基于XRD、SEM等微观测试手段对材料的微观多相特征开展研究，并通过解卷积分析、聚类分析和线性回归分析等数据分析方法，来实现对水泥基材料多相特征的定量表征和分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米压痕技术在水泥基材料中的研究进展[J]. 张璇,刘娟红. 电子显微学报. 2015(06)
[2]纳米改性水泥基材料耐高温性能探讨[J]. 付晔,李庆华,徐世烺. 低温建筑技术. 2014(05)
[3]纳米压痕研究含矿渣硬化浆体C-S-H凝胶的特性[J]. 刘仍光,韩方晖,阎培渝. 中国科学:技术科学. 2013(08)
[4]XRD-Rietveld法用于水泥基材料物相的定量分析[J]. 李华,孙伟,刘加平. 混凝土. 2013(01)
[5]纳米压痕技术在水泥基材料中的应用进展[J]. 韩建德,潘钢华,孙伟. 混凝土. 2011(04)
[6]应用纳米压痕技术表征水泥基材料微观力学性能[J]. 周伟玲,孙伟,陈翠翠,缪昌文. 东南大学学报(自然科学版). 2011(02)
[7]高温作用后矿渣微粉纤维混凝土的微观结构[J]. 杨淑慧,高丹盈,赵军. 东南大学学报(自然科学版). 2010(S2)
[8]应用纳米压痕技术表征水化硅酸钙凝胶[J]. 姚武,何莉,梁慷. 建筑材料学报. 2010(03)
[9]基于灰度分析的高黏流体停留时间分布测定方法[J]. 丁起,奚桢浩,赵玲. 中国科技论文在线. 2010(03)
[10]高温对水泥基材料微观结构的影响[J]. 冯竟竟,傅宇方,陈忠辉,张蓉. 建筑材料学报. 2009(03)
博士论文
[1]超高性能水泥基复合材料的力学性能和微结构研究[D]. 赵素晶.东南大学 2016
[2]混凝土自身与干燥收缩一体化及相关问题研究[D]. 侯东伟.清华大学 2010
硕士论文
[1]混凝土微观力学性能表征及冻融循环影响[D]. 陈仁宏.上海交通大学 2015
[2]纳米压痕试验方法研究[D]. 王春亮.机械科学研究总院 2007
本文编号：3504544
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国佛罗里达人行天桥坍塌事故Fig.1-1Floridapedestrianbridgecollapse
上海交通大学硕士学位论文2包括力学性能、耐久性能及其他物理化学性能等。但是，C-S-H凝胶颗粒尺度小，组成不定，属于无定形状态，单一的研究工具和方法无法获得对它的完整认识[5]，为此研究者在物理模型、微观测试与表征技术等多各方面开展了大量研究。图1-1美国佛罗里达人行天桥坍塌事故Fig.1-1Floridapedestrianbridgecollapse为解释水泥基材料的特性，研究者提出了多种关于水泥基材料的多尺度概念模型[5]，。一种典型的混凝土多尺度模型如图1-2所示。宏观尺度上，混凝土由水泥石和粗细骨料组成；然后是砂浆尺度，表现为沙子嵌入水泥净浆中；紧接着则是水泥净浆尺度，这一尺度主要是凝胶材料和其他水泥熟料夹杂物；最微观层面是水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)。Jennings[5]研究认为，C-S-H包含低密度C-S-H和高密度C-S-H两种基本类型，其组成相当，孔隙率和堆积密度不同。图1-2水泥基材料多尺度模型[5]Fig.1-2Four-levelmicrostructureofcement-basedmaterials[5]水泥基材料的宏观性能诸如强度、耐久性、韧性、耐高温性和抗腐蚀性等，也与水泥基材料的微观结构与力学特性有直接关系。图1-3是混凝土材料多尺度破坏机理示意图，混凝土材料的宏观性能与其微观孔隙结构和热力学状态密切相
上海交通大学硕士学位论文3关；反而言之，混凝土微观层面的物理化学状态也与其在宏观层面受到的荷载与环境作用紧密关联。简单的说，一方面，可以认为混凝土宏观层面的破坏是由微观结构的改变和破坏一步步发展而来，微观层面的破坏发展为细观损伤，再直接导致宏观破坏，并最终造成混凝土结构整体破坏。另一方面，混凝土微观尺度的变化是由环境的物理、化学、力学的作用导致的。前者是混凝土材料性能多尺度概念的内涵，而后者正是混凝土耐久性概念的内涵。图1-3混凝土材料破坏机理[6]Fig.1-3Schemaoffailuremechanismofconcretematerial[6]目前，我们对水泥基材料的认识，首先需要加强对其微观结构与性能的理解。这一方面的研究主要受限于两个方面：一是微观结构的测试技术问题，这一问题随着现代测试技术的发展逐步得以解决，目前可以采用扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)、X射线衍射(X-rayDiffraction，XRD)等手段测试水泥基材料的微观物理形貌和化学组分，尤其是纳米压痕技术的出现，使得准确表征材料的微观力学性能成为可能；另一个问题是水泥基材料微观多相特征的数学表征与分析，这需要从统计数学方法中加以深化和拓展。纳米压痕提供了一种当前最先进的材料微观测试技术，并被MIT研究者引入到水泥基材料的研究中，使全面研究混凝土微观结构及微观各相力学性能对宏观性能的影响成为可能。基于此，在本研究中，将采用纳米压痕技术对典型水泥基材料的微观各相力学性能开展测试，并基于XRD、SEM等微观测试手段对材料的微观多相特征开展研究，并通过解卷积分析、聚类分析和线性回归分析等数据分析方法，来实现对水泥基材料多相特征的定量表征和分析。
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米压痕技术在水泥基材料中的研究进展[J]. 张璇,刘娟红. 电子显微学报. 2015(06)
[2]纳米改性水泥基材料耐高温性能探讨[J]. 付晔,李庆华,徐世烺. 低温建筑技术. 2014(05)
[3]纳米压痕研究含矿渣硬化浆体C-S-H凝胶的特性[J]. 刘仍光,韩方晖,阎培渝. 中国科学:技术科学. 2013(08)
[4]XRD-Rietveld法用于水泥基材料物相的定量分析[J]. 李华,孙伟,刘加平. 混凝土. 2013(01)
[5]纳米压痕技术在水泥基材料中的应用进展[J]. 韩建德,潘钢华,孙伟. 混凝土. 2011(04)
[6]应用纳米压痕技术表征水泥基材料微观力学性能[J]. 周伟玲,孙伟,陈翠翠,缪昌文. 东南大学学报(自然科学版). 2011(02)
[7]高温作用后矿渣微粉纤维混凝土的微观结构[J]. 杨淑慧,高丹盈,赵军. 东南大学学报(自然科学版). 2010(S2)
[8]应用纳米压痕技术表征水化硅酸钙凝胶[J]. 姚武,何莉,梁慷. 建筑材料学报. 2010(03)
[9]基于灰度分析的高黏流体停留时间分布测定方法[J]. 丁起,奚桢浩,赵玲. 中国科技论文在线. 2010(03)
[10]高温对水泥基材料微观结构的影响[J]. 冯竟竟,傅宇方,陈忠辉,张蓉. 建筑材料学报. 2009(03)
博士论文
[1]超高性能水泥基复合材料的力学性能和微结构研究[D]. 赵素晶.东南大学 2016
[2]混凝土自身与干燥收缩一体化及相关问题研究[D]. 侯东伟.清华大学 2010
硕士论文
[1]混凝土微观力学性能表征及冻融循环影响[D]. 陈仁宏.上海交通大学 2015
[2]纳米压痕试验方法研究[D]. 王春亮.机械科学研究总院 2007
本文编号：3504544
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