水泥基材料多尺度结构、组成与水化效能、体积稳定性相互关系的基础研究

水泥基材料在应用过程中存在着水泥水化效能不高和由于体积稳定性而致的耐久性不足等问题。基于水泥基材料的多尺度结构、胶凝组分颗粒在粒径、组成和水化活性方面存在差异以及浆体组成与结构动态变化的特征，本研究拟从水泥浆体初始结构与组成着手，研究浆体组成、空间结构、水化过程与进程等对水泥水化效能、硬化体结构与性能的影响及作用机制，以及水泥基材料的体积稳定性和其它宏观性能，对水泥基材料浆体组成、结构进行优化设计，并建立优化的水泥浆体结构模型，以期提高水泥水化效能和改善体积稳定性，达到减少水泥用量10％以上和提高混凝土耐久性指标10～20％的目的。本研究的开展有利于进一步阐明水泥基材料的化学与颗粒组成、结构与胶凝组分的水化硬化、硬化体微观以及宏观性能间的关系，为提高水泥浆体中水泥的水化效能和延长水泥硬化体的耐久性，同时也为研发具有更高胶凝性、抗渗性和耐久性的水泥基复合材料奠定理论基础和技术支撑。

提高胶凝材料水化效能、改善水泥基材料的体积稳定性（最终提高其使用寿命）是实现水泥基材料生产和应用可持续发展的最有效途径。本项目基于胶凝组分在粒径、组成和水化活性方面存在差异，从水泥浆体多尺度结构与组成着手，研究了浆体初始组成、水化进程等对水泥水化效能、硬化体结构与性能（特别是体积稳定性）的影响，阐明了复合水泥化学与颗粒组成、结构与硬化体微观、力学性能、体积稳定性的关系。在以下几方面取得了创新性成果：.（1）在微纳尺度上，揭示了水化产物组成、结构与体积稳定性的关系：（a）复合水泥水化产物多为外部水化产物，对水泥浆体孔隙填充能力较强，且引起的化学收缩较小；（b）矿渣水化生成了大量C-A-S-H凝胶，为使电荷平衡，K+、Na+进入水化产物层间，使层间结合力增强，从而提高了水化产物抵抗体积变形的能力。.（2）根据水泥熟料与辅助性胶凝材料水化、硬化特性的差异，建立了复合水泥浆体多尺度组成、结构模型，提出了基于体积稳定性的水泥熟料与辅助性胶凝材料优化匹配原则：（a）提出了“区间窄分布，整体宽分布”多尺度颗粒级配模型，利用该模型优化了复合水泥初始浆体结构，显著减少了填充空隙所需的水化产物数量；（b）高活性辅助性胶凝材料、水泥熟料和低活性辅助性胶凝材料或惰性填料分别置于细（<8μm）、中（8~24μm）、粗（>24μm）粒度区间，可实现复合水泥水化进程的优化匹配，进而高效发挥胶凝材料的水化效能。.（3）通过水泥基材料多尺度组成结构的优化，采用不同水化效能的粉体颗粒制备了水泥熟料用量仅25%的42.5强度等级复合水泥，并揭示了复合水泥多尺度组成、结构与体积稳定性的关系：（a）复合水泥早期化学收缩较小，绝大部分化学收缩发生在浆体结构形成以后，浆体结构对体积变形具有较大的约束作用，使浆体自收缩较小；（b）硬化浆体结构合理、有序形成并逐渐密实化，浆体内部应力较小且分布均匀；（c）复合水泥浆体体积变形较小，且抗开裂性能优良。