基于非球形水泥颗粒水化微结构的扩散行为研究

As a typical granular material, cementitious composites have been extensively used in urban construction, transportation and other areas of engineering. Diffusion properties of cementitious composites play a crucial role in their durability and service life, and the development of diffusion properties is attributed to the microstructure which formed by the hydration of cement. Currently, most of the cement hydration models are focused on spherical particles. However, the shapes of cement powder particles are not a sphere. In addition, the influence of particle shape on the microstructure and diffusion properties of the cement-based materials has not been confirmed. Therefore, this proposal will start from the random packing of non-spherical particle. Combined with phase boundary reaction and diffusion controlled reaction theory, a hydration model of non-spherical particle will be established based on the theoretical derivation of the governing equations of non-spherical cement hydration. Meanwhile, the interaction between cement particles and hydration products will be solved to simulate the hydrated microstructure. Subsequently, the reliability of the hydration model will be verified by experimental methods, and the evolution of each phase in the microstructure of cement paste will be quantitatively characterized. Finally, the numerical simulation and experimental study on the diffusivity of cement paste will be carried out to reveal the influence of particle shape on the hydrated microstructure and diffusion properties. It is expected that this proposal provides a theoretical support for improving the durability and service life of granular materials by optimizing their microstructures.

水泥基复合材料作为一种典型的颗粒材料，被广泛应用于城市建设、交通等工程领域，其扩散性能直接关系到材料结构的耐久性和服役寿命，而扩散性能的发展与水泥水化形成的微结构密切相关。目前大多数水泥水化模型是以球形颗粒为研究对象，但实际的水泥颗粒并非规则的球体，颗粒形状对水泥水化微结构和扩散性能的影响机制尚不明确。本项目拟以非球形水泥颗粒随机堆积结构为出发点，理论推导出非球形水泥颗粒水化反应的控制方程，结合界面化学反应、扩散控制反应理论，建立非球形水泥颗粒水化动力学模型，同时解决水泥颗粒与水化产物之间的交互作用问题，实现水化微结构的模拟。随后，利用试验方法对模型的可靠性进行验证，并定量表征水泥浆体微结构中各物相的演变规律。最后，开展水泥浆体扩散系数的数值模拟和试验研究，阐明颗粒形状对水化微结构及扩散性能的影响机制，为通过优化颗粒材料微结构来提高其耐久性和服役寿命提供理论支持。

水泥基复合材料作为一种典型的颗粒材料，被广泛应用于城市建设、交通等工程领域，其扩散性能直接关系到材料结构的耐久性和服役寿命，而扩散性能的发展与水泥水化形成的微结构密切相关。本研究以非球形水泥颗粒为研究对象，提出了一种基于水化微观结构的扩散模型。本模型主要包含三个重要组成部分：（1）开发了非球形水泥颗粒间的重叠检测算法，模拟生成了新拌水泥浆体堆积结构；为从三维堆积结构中获取二维截面信息，进一步开发了适用于非球形水泥颗粒的截面分析算法。（2）理论推导出非球形水泥颗粒水化反应的控制方程，结合界面化学反应、扩散控制反应理论，建立了非球形水泥颗粒水化动力学模型，同时解决了水泥颗粒与水化产物之间的交互作用问题，实现了非球形水泥颗粒的连续水化模型的构建。随后对模型的可靠性进行验证，并定量表征了水泥浆体微结构中各物相从新拌状态到硬化状态的演化规律。（3）借助随机行走算法，给出了水泥浆体中相对扩散系数的计算方法；并利用相关文献结果验证了本模型的可靠性。虽然本研究以五种正多面体和球体为例，但这一整体框架同样适用于由其他非球形水泥颗粒水化所形成的复杂结构体系。.最后，利用本研究的理论框架评估了水泥颗粒的几何形状对水化物微观结构和相对扩散系数的影响。研究结果表明颗粒形状对水化微结构和扩散性能都有显著的影响，主要表现为水泥浆体的水化程度呈现出随水泥颗粒球形度的减小而增大，水泥浆体孔隙率和相对扩散系数会随水泥颗粒球形度的增加而增大的规律。这主要归功于球形度越小的颗粒拥有较大的比表面积，使得水泥颗粒与水的接触面积增加，在相同水化龄期内发生水化反应生成的水化产物越多，从而导致孔隙结构中连通路径的减小，最终使得水泥浆体的相对扩散系数减小。由此可见，在水泥基复合材料组成—微观结构—宏观性能多尺度量化关系的研究中，阐明颗粒形状对微观结构及宏观性能的影响机制，进而提高其耐久性和服役寿命具有重要意义。