【摘要】：抗碳化性能是水泥基材料耐久性方面的主要性能之一。碳化過程中水泥基材料內(nèi)部溫度、濕度、孔隙、可碳化物質(zhì)都會發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)變化以及相互作用。定量化表征水泥基材料的熱-濕-碳化耦合作用規(guī)律,對全面理解水泥基材料的抗碳化性能,預(yù)測碳化深度,有十分重要的意義。本論文圍繞這一科學(xué)問題進行了如下的研究工作：(1)采用酚酞測定法、熱重分析法(TGA)、X射線物相分析法、紅外光譜法和碳酸鈣定量分析法來評價混凝土碳化程度,并對試驗結(jié)果進行定性與定量的比較,綜合分析多種混凝土碳化評價方法的優(yōu)缺點以及適用性。(2)基于水泥顆粒粒徑分布函數(shù),引入周期性邊界條件,將生成的水泥顆粒從大到小逐一分布到立方體模擬單元中�？紤]水泥礦物組分、水泥顆粒粒徑分布曲線、水灰比對水泥水化的影響,引入相應(yīng)的三個量化參數(shù)改進了目前的三維球形水泥水化模型,較先前在參數(shù)規(guī)定的數(shù)值范圍中通過經(jīng)驗選取更為科學(xué)。并采用改進的水泥水化模型從微觀結(jié)構(gòu)與水化產(chǎn)物角度分析了水泥水化的全過程。通過計算機模擬重構(gòu)水泥石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),對水化產(chǎn)物和孔隙結(jié)構(gòu)進行了分析,并采用水化放熱法、熱重分析法、壓汞法對水泥水化模型的模擬結(jié)果進行了驗證。(3)基于多孔介質(zhì)多場耦合基本理論,考慮水泥基材料的碳化機理,結(jié)合水泥水化模型得到的碳化初始狀態(tài)下可碳化物質(zhì)的含量、孔隙率、飽和度等參數(shù),建立了水泥基材料碳化理論模型。該模型全面考慮水泥基材料中氣、液、固各相物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換,并引入碳化產(chǎn)物體積膨脹導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)變化以及溫濕度與碳化之間的相互影響,建立了滿足在局部坐標下的質(zhì)量平衡、化學(xué)平衡、離子平衡和多孔介質(zhì)理論的水泥基材料碳化控制方程組。(4)基于水泥水化模型,同時考慮CH與CSH的碳化,對凈漿內(nèi)部不同深度處的碳酸鈣含量變化進行了理論與試驗研究,獲得了不同水灰比情況下試件各測點的碳酸鈣含量隨時間的發(fā)展變化情況,其結(jié)果與模型模擬結(jié)果吻合較好,驗證了數(shù)值模型的可靠性。(5)在凈漿的碳化理論模型基礎(chǔ)上,考慮了骨料稀釋效應(yīng)、邊界效應(yīng)以及界面效應(yīng)建立砂漿和混凝土的碳化模型。對砂漿、混凝土內(nèi)部不同深度處的碳酸鈣含量變化進行了試驗研究,獲得了不同水灰比、不同碳化齡期情況下試件各測點的碳酸鈣含量變化情況。并通過對模型求解,對比分析了試驗結(jié)果與模型結(jié)果。在理論模型基礎(chǔ)上進一步分析了環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度等對碳化性能的影響,以及碳化對水泥基材料孔隙變化的影響。
[Abstract]:Carbonation resistance is one of the main properties of cement-based materials in durability. In the process of carbonation, the internal temperature, humidity, porosity and carbonation material of cement-based materials all have corresponding physical and chemical changes and interactions. It is of great significance to quantitatively characterize the thermal-wet-carbonation coupling law of cement-based materials in order to understand the carbonation resistance of cement-based materials and predict the carbonation depth. The research work of this paper is as follows: (1) the carbonation degree of concrete is evaluated by phenolphthalein method, (TGA), X ray phase analysis method, infrared spectrum method and calcium carbonate quantitative analysis method. By comparing the test results qualitatively and quantitatively, the advantages and disadvantages and applicability of various concrete carbonation evaluation methods are comprehensively analyzed. (2) based on the particle size distribution function of cement particles, periodic boundary conditions are introduced. The resulting cement particles are distributed one by one from large to small to the cube simulation unit. Considering the influence of mineral composition, particle size distribution curve and water-cement ratio on cement hydration, three quantitative parameters were introduced to improve the present 3D spherical cement hydration model. It is more scientific than the empirical selection in the range of parameters. The whole process of cement hydration was analyzed from the point of view of microstructure and hydration products by using the improved cement hydration model. The internal microstructure of cement stone was reconstructed by computer simulation. The hydration products and pore structure were analyzed, and the hydration exothermic method and thermogravimetric analysis method were used. The simulation results of cement hydration model are verified by mercury injection method. (3) based on the basic theory of multi-field coupling in porous media, the carbonation mechanism of cement-based materials is considered, and the content of carbonable substances in the initial carbonation state is combined with the cement hydration model. The carbonation theory model of cement-based materials was established by porosity and saturation. The model takes into account the transformation between gas, liquid and solid phases in cement-based materials, and introduces the pore structure changes caused by the volume expansion of carbonation products and the interaction between temperature and humidity and carbonation. The carbonation control equations of cement-based materials satisfying the mass equilibrium, chemical equilibrium, ion equilibrium and porous media theory in local coordinates are established. (4) based on the cement hydration model, the carbonation of CH and CSH is considered. The change of calcium carbonate content at different depth inside the slurry was studied theoretically and experimentally. The development of calcium carbonate content at different measuring points with different water-cement ratio was obtained, and the results were in good agreement with the model simulation results. The reliability of the numerical model is verified. (5) based on the carbonation theory model of the pure mortar, the carbonization model of mortar and concrete is established by taking into account the aggregate dilution effect, boundary effect and interfacial effect. The change of calcium carbonate content at different depths of mortar and concrete was studied and the change of calcium carbonate content at different measuring points was obtained under different water-cement ratio and different carbonation age. By solving the model, the experimental results and the model results are compared and analyzed. Based on the theoretical model, the effects of ambient temperature, humidity and concentration of carbon dioxide on the carbonation performance, as well as the influence of carbonation on the pore changes of cement-based materials are further analyzed.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU528

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