現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向超高強,超大以及超長跨度發(fā)展,對水泥基材料的韌性要求越來越高。然而傳統(tǒng)水泥基材料,其組成多樣性、結(jié)構(gòu)多孔性以及產(chǎn)物相容性差的特點導(dǎo)致其脆性大、變形性能差、延展性能差等缺陷特征,且強度越高,韌性越差,使得其難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展需求。新型納米材料的出現(xiàn),對水泥基材料韌性的提升提供一種新的途徑。本文采用兩種增韌材料,即磺化石墨烯(SGN)和陽離子型聚氨酯(PUC)納米分散液,通過現(xiàn)代測試分析手段和宏觀測試方法,研究了其對單礦水化、水泥溶解和水化過程、以及水泥基材料力學(xué)性能的影響,并且結(jié)合分子動力學(xué)模擬計算方法,研究了增韌材料優(yōu)化水泥基材料韌性機制。其取得的主要研究結(jié)果有:建立了連續(xù)粉末溶解裝置,系統(tǒng)研究了石膏粉末溶解動力學(xué),提出了其溶解速率經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。并且采用該方�?研究了增韌材料對水泥溶解進程影響。由溶液中鈣離子濃度變化計算可知,水泥在去離子水中溶解速率常數(shù)為0.51 mmol m~(-2) s~(-1),當(dāng)PUC濃度分別為0.02、0.08以及0.2 g L~(-1)時,其對應(yīng)的溶解速率常數(shù)分別為0.47、0.46以及0.27 mmol m~(-2) s~(-1);而當(dāng)SGN濃度分別為0.02、0.08以及0.5 g L~(-1)時,其對應(yīng)的溶解速率常數(shù)分別為0.49、0.47以及0.46 mmol m~(-2) s~(-1),由于SGN自身的弱酸性,影響了溶液pH值,改變了溶液性質(zhì),高濃度的SGN有利于水泥的溶解,但總體上,兩種增韌材料均會降低水泥早期溶解速率,降低溶液中離子濃度,其中PUC作用效果更強。增韌材料的加入,由于其隨機吸附于水泥以及C_3S顆粒表面活性反應(yīng)點,會延長水泥以及C_3S水化誘導(dǎo)期,且隨著摻量的增加,誘導(dǎo)期延長效果越明顯,然而PUC和SGN的摻入會提高水泥以及C_3S后期水化3d的總放熱量。通過定量X-射線衍射和掃描電子顯微鏡結(jié)果可知,與基準(zhǔn)樣相比,PUC和SGN的加入,會延緩水泥主要礦物C_3S在早期1d的消耗,但會促進其3d和28d水化程度,與此同時,增韌材料會降低水化產(chǎn)物CH的生成量,影響水化產(chǎn)物形貌。值得注意的是,PUC和SGN的摻入,鑒于其自身的電荷作用會對水化離子產(chǎn)生吸附,直接影響水泥水化產(chǎn)物CH形貌,誘導(dǎo)其產(chǎn)生結(jié)晶重排,改變水泥水化微觀結(jié)構(gòu),使得其整體結(jié)構(gòu)與自然界貝殼結(jié)構(gòu)相似變得更加緊密有序。此外,PUC的摻入在不影響水泥基材料抗壓強度前提下,能夠顯著增加其抗折強度和抗拉強度。當(dāng)PUC摻量為0.5%時,其凈漿水養(yǎng)7d后,其抗折強度和抗拉強度與基準(zhǔn)樣相比分別提高了36.4%和88.6%。對于摻有PUC砂漿而言,由于砂-漿體界面的引入,使得增強效果有所降低。同樣地,SGN的摻入能夠有效增加水泥凈漿抗折強度以及拉伸強度,當(dāng)其摻量為0.01%時,基準(zhǔn)樣相比,其凈漿水養(yǎng)3d后抗折強度40.0%,水養(yǎng)7d后其抗拉強度則提高了58.2%�？傮w來說,增韌材料的加入均能夠有效提高水泥基材料的折壓比(1/K_(脆度系數(shù)))和拉壓比值,表明兩種材料均可改善水泥基材料的韌性。結(jié)合分子動力學(xué)模擬計算方法,揭示了增韌材料與水泥基材料相互作用機制,即增韌材料的摻入,會吸附于水泥顆粒表面活性點,減緩水泥溶解速率,隨著溶解進行,溶液中離子濃度逐漸增大,但由于SGN和PUC表面官能團和電荷作用,溶液中鈣離子會優(yōu)先吸附于SGN和PUC的表面,隨著鈣離子濃度進一步增加,其表面優(yōu)先達到氫氧化鈣飽和濃度,結(jié)合SGN和PUC在CH不同晶面吸附能,可知氫氧化鈣晶體優(yōu)先在SGN和PUC表面形成,且存在結(jié)晶取向性。與此同時,當(dāng)SGN濃度從0.01 g/L增加至0.12 g/L時,所得到CH顆粒粒徑也會相應(yīng)從7.1?m增加至23.4?m。因此,增韌材料的摻入,影響水化產(chǎn)物CH結(jié)晶排布及其形貌特征,使得整體微觀結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)發(fā)展。本文主要研究了增韌材料對水泥水化進程和力學(xué)性能影響,揭示了增韌材料對水泥水化影響機制,指出了通過誘導(dǎo)水化產(chǎn)物CH晶體重排方式,使得微觀結(jié)構(gòu)以層狀形式存在,這種結(jié)構(gòu)可能是提高水泥基材料韌性的原因,為水泥基材料的原位增韌提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU528;TQ172.1
【部分圖文】：

現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向超高強，超大以及超長跨度發(fā)展，使得其難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展需求，如圖1-1 所示，因此對水泥基材料的超高韌性有著更高的要求。圖 1-1 現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施超高、超長及超跨度結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1-1 Schematic of ultrahigh, ultralong and ultrawide constructure of moden infrastructure

最終表現(xiàn)為水泥基材料的準(zhǔn)脆性特征，導(dǎo)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和適用性，尤其在嚴(yán)酷加劇，直接致使其服役壽命的降低。大量的試驗研究幾乎是不可以避免的。其中美國運輸部在 1989 年上 40%的橋梁（238537/577710）存在不同程度的損壞的標(biāo)準(zhǔn)，若要將所有損傷橋梁恢復(fù)至安全標(biāo)準(zhǔn)，大概位于美國西弗吉尼亞的波音特普利桑特橋發(fā)生了突然桿的脆性斷裂[5]，而 1995 年日本阪神地震，多座高，日本引以為豪的新干線使用不到十年，就出現(xiàn)了大我國基礎(chǔ)設(shè)施工程不完全統(tǒng)計，2000 年至 2009 年期，不包括由地震引起[8]。而根據(jù) 2008 年 6 月 19 日交損毀數(shù)據(jù)，共有高達 6140座橋梁在汶川地震中受損[9

材料增韌措施了克服水泥基材料(砂漿、混凝土等)變形差、易開裂等缺點，韌水泥基材料，即纖維增韌、聚合物增韌以及納米材料增韌。增韌水泥基復(fù)合材料(FRCCs)是建筑行業(yè)中發(fā)展較為成熟的改善混度等性能的水泥基材料[11]。其在受力破壞過程中，對于 FRC后才顯得比較顯著。纖維并沒有很大影響基體的抗拉強度，只裂縫來增加韌性，歸屬為物理增強作用。有關(guān)纖維的物理性能了纖維增強增韌水泥基材料的力學(xué)示意圖。
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本文編號：2840016