混凝土反应动力学和结构形成动力学的研究及计算机模拟

The electrical resistivity method for detecting the bulk resistivity and the calorimetry for measuring the heat evolution are applied to study the reaction kinetics and structure formation kinetics of cement pastes. The factors such as water cement ratio, are considered to systematically investigate the trends during the nucleation and growth period (NG), phase-boundary period (I) and diffusion-controlled period (D), respectively. Different fitting lines for the different periods are obtained from electrical resistivity curves and heat evolution curves. The kinetics parameters will be derived, and the physical meanings will be analyzed. The kinetics parameter relation will be built between the reaction kinetics and the structural formation kinetics. By changing the aggregate volume, aggregate size and chemical admixtures, the conductive modeling of concrete will be investigated by the relationship between the electrical resistivity of concrete and the matrix, the aggregate and the interfacial transition zone. The new alternative method based on electrical resistivity is proposed to estimate the hydration heat and hydration degree. Finally, the electrical resistivity measurement offers input datum of the kinetics and the period time at the characteristics points for simulation, which enables visualization of the microstructure evolution and estimates the properties of cement-based materials.

本课题以电阻率法为主要测试手段、以微量热法等为辅助手段研究水泥石的反应动力学和结构形成动力学，系统地探索水灰比等因素对水泥基材料成核结晶与晶体生长阶段(NG)，相边界反应阶段（I）和扩散控制阶段(D)的影响规律。按水化阶段用不同的拟合方法分别建立电阻率、水化热随时间遵循的演变规律方程，探讨相应参数的物理意义，并建立由电阻率法获得的结构形成动力学参数和水化热获得的反应动力学参数间的关系。通过改变骨料掺量、粒径和化学外加剂，探讨混凝土电阻率与水泥浆基体、骨料、界面三相之间的导电模型，达到计算混凝土中水泥基材的水化度及其动力学参数的目的，并建立混凝土动力学参数与混凝土力学性能之间的关系；提出以电阻率确定混凝土水化热和水化度的新方法。最后，基于电阻率法获得的动力学参数及特征点时间进行水泥基材料水化过程建模与仿真，并对水泥基材料的性能进行预测。

本项目综合采用电阻率法、量热法和微观分析等，研究了水泥基材料水化反应的反应度，基于电阻率法的计算机模拟对水泥基材料中水泥水化过程进行了研究。本项目首次提出将电阻率微分曲线峰值特征点对应时间作为水泥水化动力学模型临界时间和动力学参数输入到计算机模拟当中，对不同水灰比的纯水泥浆体在不同时间的微观结构进行了计算机模拟。结果表明：根据电阻率微分曲线的3个峰值特征点，水泥水化过程可划分为溶解结晶期、凝结期、加速期和减速期4个发展阶段；计算机模拟可以很好地解释和分析水泥的水化过程，以及在水化过程中浆体电阻率的发展特点。本研究测定和分析了不同水灰比和不同骨料掺量的混凝土早龄期水化期间电阻率发展的特性，相同水灰比不同骨料掺量的混凝土电阻率微分曲线上的前两个特征峰值点对应的时间几乎相等，骨料含量高的混凝土的第三个特征峰值点对应的时间延长，这与其界面过渡区面积较大有关。不同水灰比相同骨料掺量的混凝土的电阻率微分曲线表明，低水灰比混凝土的三个特征峰值点对应的时间都提前，这与低水灰比基体材料的结构密实速度较快有关。基于电阻率法获得的动力学参数及特征点时间进行水泥基材料水化过程建模与图形化仿真，达到了对水泥基材料的性能的准确预测。