微纳米尺度掺矿物掺合料水泥基材料的弹性性能研究

水泥基材料是具有结构多尺度特性的非均质复合材料。开展含矿物掺合料的水泥基材料在纳、微米尺度的结构与特性对其不同尺度的弹性性能影响的研究，建立组成、结构和弹性性能之间的定量关系，是科学地研究水泥基复合材料本构关系、变形和抗裂等性能的基础。本项目拟通过对纯水泥浆体及掺有粉煤灰、矿粉和硅灰的水泥浆体在微纳米尺度弹性性能的系统测试，研究水胶比、掺合料、温湿度、龄期等对三种C-S-H弹性性能和体积分布的影响规律，并从微观尺度解释矿物掺合料对水泥浆体力学性能的贡献；通过对水泥砂浆界面过渡区的组成、结构和弹性性能的系统研究，探索水胶比、养护时间以及矿物掺合料等关键因素对界面过渡区的影响规律；结合硬化浆体的组成结构和力学特性，提出含有掺合料的复杂胶凝体系硬化浆体的结构模型，并运用连续介质微观力学方法推导从微米尺度弹性性能到细观和宏观尺度水泥基材料的弹性性能的计算公式，并通过实验对理论计算结果进行验证。

本课题以精确表征掺入矿物掺合料水泥基复合材料宏观弹性性能为出发点，针对水胶比、水化龄期、矿物掺合料、养护条件等因素对于水泥基复合材料微结构及其弹性性能的影响，开展了不同尺度条件下的系统研究。借助统计纳米压痕、背散射图像分析等测试技术系统地研究了微纳米尺度下水泥基材料各组成物相的微结构特征和对应的弹性性能。运用图像处理技术解决了水泥基复合材料背散射图片中各复杂物相的分离问题，从而实现了基于背散射图像分析技术准确获取水泥基复合材料中物相组成的信息。运用纳米压痕、背散射图像分析、能谱分析等多技术复合原位测试技术，考虑了水胶比、水化龄期、矿物掺合料、养护条件等因素的影响，实现了弹性模量角度的水泥砂浆界面过渡区（ITZ）等效宽度界定。在前述研究的基础上，提出了含有掺合料的复杂胶凝体系硬化浆体和砂浆的结构模型，并运用该模型结合连续介质微观力学方法实现从微纳米尺度弹性性能到宏观尺度水泥基材料的弹性性能的计算，并通过宏观实验对理论计算结果进行了验证。本项目的多项研究成果在国内外均未见公开报道。研究成果为科学计算掺入矿物掺合料水泥基材料弹性性能提供了重要的依据和途径。