蒸养条件下多尺度水泥复合胶凝体系微结构的动态演变机制研究

The prefabricated components prepared by steam-cured concrete are the important constituent parts of base structures of high-speed railway. Practice indicates that steam curing technology can not only improve the early-term strength of concrete significantly but also give rise to the swelling deformation and internal pore coarsening which may result in the deterioration of the precast components. For this reason, the present project employs some advanced test and analysis methods to study the multi-scale composite cementitious materials including Portland cement, supplementary cementitious materials and nanoparticles on the basis of the latest achievements at home and abroad. The innovative approaches for characteristic parameters describing the initial state of slurry and the influences of different initial state characteristics on the nucleation and growth process of hydration products are studied. The forming process and evolution rule of the microstructure of cement composites under steam curing condition are also analyzed. And the mechanism of steam curing regime affecting the formation of microstructure is detected. Furthermore, the relationships and mathematical models of the microstructure indexes after steam curing to the initial state parameters are established. The above results can form the theoretical basis for inducing and regulating the formation of microstructure under steam curing condition. This study is aimed at reducing or even eliminating the heat damage of steam curing on concrete and providing the theoretical and technological foundation for improving the quality of steam-cured concrete prefabricated components.

蒸养混凝土预制构件是高速铁路基础结构常采用的主要部件之一。实践表明，蒸养工艺尽管有诸多优点，但也会导致混凝土产生肿胀变形、孔结构粗化等问题，造成混凝土（构件）质量下降甚至过早失效。鉴于此，本申请结合现代混凝土组成特点，运用先进的测试分析手段，研究多尺度水泥基复合胶凝材料系统初始状态特征的有效表征参数与方法，探究蒸养过程中不同初始状态特征的胶凝体系水化成核和核生长动态过程，刻画体系微结构的构筑过程与依时变化规律，揭示蒸养水化环境影响复合胶凝材料微结构形成的机理，解析蒸养多尺度复合胶凝体系微结构特征与其初始状态、蒸养条件之间的相关关系，构建相应数学模型，最终形成基于原材料组成与初始微环境设计的诱导与调控复合胶凝体系微结构的理论基础。本研究可为减小甚至消除蒸养引起的混凝土热伤损，实现蒸养混凝土预制构件高质量制造提供重要理论和技术支撑。

作为高速铁路基础结构主要结构构件的蒸养混凝土预制构件，其质量对高速铁路安全和服役寿命的影响举足轻重。虽然目前国内外针对蒸养混凝土预制构件的生产技术及其性能的研究较为广泛，也取得了较多成果，但由于问题本身的复杂性，针对蒸养混凝土预制构件生产周期内时常存在的宏观、微观裂缝等热伤损领域的系统、深入研究成果明显不足，特别是针对高速铁路蒸养混凝土预制构件热伤损形成与演变机理的研究十分有限。针对这一问题，申请者以高速铁路工程实践为依托展开了大量的研究，得出如下主要成果：.1）基于多尺度断裂力学，系统研究了蒸汽养护对混凝土韧性的影响，探明了蒸养高早强混凝土的脆化特征：混凝土静、动态弹性模量、剪切模量、冲击荷载下峰值应力、断裂能、延性指数、断裂韧度等随养护温度升高而降低。.2）从宏观、微细观、纳观尺度深入研究了蒸汽养护导致的混凝土裂损现象，阐明了混凝土表观热伤损的温-湿度效应，建立了宏-微-纳观连续尺度伤损的内在联系与物理模型：蒸汽养护使胶凝水化产物的HD C-S-H增多、LD C-S-H减少，形成的凝胶簇密度增大、体积减小。.3）通过测试胶凝材料在不同恒定温度下的放热特性，提出基于Arrhenius方程与活化能的等效放热量计算方法，建立了考虑升、降温梯度的蒸养条件下胶凝材料水化动力学模型，阐清了胶凝材料水化产物结晶、生长与扩散的温度梯度效应。.4）探明了胶凝材料在蒸汽养护各阶段的水化产物相组成、体积变形与孔结构特征，揭示了胶凝材料在蒸养全过程的时变规律，阐明了蒸养工艺对胶凝材料不同水化阶段的体积变形、孔结构特征与水化产物相组成的影响机理。.上述研究成果揭示了蒸养热效应和水化放热协同作用下温湿度、水化反应场效应对蒸养混凝土物相与微结构的影响机理，完善了非稳态下水泥水化动力学，阐明了蒸养混凝土热伤损产生的动态机制，完善与拓展了混凝土预制构件伤损理论，为水泥基材料微结构快速形成时的调控与引导提供理论基础。