水泥基材料界面微结构与细-宏观性能关系多尺度研究

Given some limitations, the impact of interfacial microstructure on macroscopic properties of cement-based materials is not fully resolved. Testing methods of NMR, FTIR, XRD and SAXS were used to quantitatively characterize microstructure and content of C-S-H at interface region, and define impact mechanism and relationships between C-S-H structure, CH orientation and porosity, thus scientifically express the low-scale information. The relationships between mechanics and microstructure, and impact mechanism of mechanical properties at micro-level would be clarified by microhardness and nanoindentation. Based on CT technology, internal damage evolution under pressure can be real-time track and dynamically reveal in mesoscopic. Through the research path of interface structure, interface performance, mesoscopic dynamics and macro properties, aim to grasp the relationship between mechanical index of interface and meso-macroscopic properties of materials, establish multi-scale model of interface microstructure parameters and material properties. Study hase significance in resolve the inherent nature of micro-interface impact on meso and macro properties of concrete, rich multi-scale research and develop new ways to improve the performance of concrete.

鉴于测试手段与分析方法的局限，水泥基材料界面微结构对宏观性能整体行为的影响未能全面解析。项目采用高分辨NMR、FTIR、XRD、SAXS等水泥基材料微观测试手段，定量表征界面C-S-H微结构及含量，明确C-S-H结构、CH取向性和孔隙率的关系及影响机制，科学表达界面低尺度信息。结合显微硬度、纳米压痕方法，探明界面力学参数与微结构参数的关系，阐明界面力学特性在微观层次的影响机制；基于CT技术，实时追踪不同界面特性试件的内部损伤演变过程，细观动态揭示承压下破损全过程的损伤裂纹演变规律。贯穿"界面结构-界面性能-细观动态-宏观表现"的研究路径，掌握界面力学指标与材料细-宏观性能的关系，建立界面微结构参数与材料细-宏观性能的多尺度模型。旨在解析微观界面影响细观乃至混凝土宏观表现的内在本质，丰富水泥基材料多尺度研究基础，拓展改善混凝土性能的新途径。

针对水泥基材料界面微结构与细-宏观性能的关系多尺度，从水泥浆-骨料界面微结构参数、界面性能与界面微结构的关系、界面细观损伤裂纹演变规律，以及材料宏观性能与界面关系的多尺度共4个方面，项目开展了全面的具体研究。定量表征了浆体及界面水化产物的微结构及含量，界面中含有更多的二聚体C-S-H和链状C-S-H，且C-S-H凝胶的MCL平均直链链长低于浆体。浆体和界面区CH量都随龄期的增长而增加，且在各个龄期时，界面区的CH量均高于浆体区。界面区总孔隙率、孔面积及最可几孔径高于浆体区。界面区显微硬度随着与骨料界面距离的增加而增大。灰岩与浆体的界面结合效果最佳，骨料化学和矿物组成及表面织构不同，致使其界面结构的差异，从而影响混凝土的宏观抗拉强度。在连续应力水平下，混凝土断面CT平均数持续小幅降低，表明混凝土CT尺度裂纹稳定扩展。荷载作用下混凝土裂纹多数沿着骨料与浆体的界面、内部孔洞及混凝土试件周边扩展。建立了界面CH晶体取向指数和平均尺寸与相应砂浆强度的关系模型。硅粉的掺入提高了界面C-S-H凝胶聚合度，宏观力学性能增强。冻融循环下混凝土材料由冻胀转变为冻缩的现象，塑封条件下饱水试件冻胀变形的模拟和试验结果相关性良好，界面裂化在整个混凝土的冻融破坏过程中起主要作用。成果对解析微观界面影响细观乃至混凝土宏观表现的内在本质，丰富水泥基材料多尺度研究基础提供了重要的科学依据。