混凝土复合胶凝材料体系水化动力学的定量表征及微结构模拟

The proposed project aims to develop the hydration kinetics model for binary blended cementitious materials of concrete, and establish computer models to simulate the microstructural evolution of blended cementitious material paste. The chemical compositions of cementitious materials will be used as input factors, to discuss the hydration models of cement-silica fume and cement-fly ash pastes. The hydration models will be used with the thermo-gravimetric analysis results of pastes, at different ages, to determine the real-time degree of hydration of cement and degree of reaction of mineral admixture in the same system. The obtained data couples will be analyzed mathematically to figure out the hydration kinetics of the blended cementitious materials, i.e. the degree of hydration of cement and degree of reaction of mineral admixtures in the same system as functions of time. Based on the product volume expansion factors from the hydration model, experimental results of microstructure analyses, composition and fineness of cementitious materials and the water-to-binder ratio, computer models will be developed to simulate the microstructures of cement-silica fume and cement-fly ash pastes at different hydration status. The microstructural evolution of paste with time can be known in light of the hydration kinetics model. Digitized microstructures output by the computer model can be used to compute the transport properties of paste. Contents proposed in this project belong to basic studies on concrete structural materials, and the results will provide theoretical basis and techniques for more accurate prediction of the properties of concrete and the durability of concrete structures.

本项目拟建立混凝土二元复合胶凝材料的水化动力学模型，并在此基础上建立计算机模型用以模拟复合浆体微结构的演化过程。项目将以胶凝材料的化学成分为输入参数，讨论水泥-硅灰和水泥-粉煤灰二元复合胶凝材料的水化模型。结合水化模型和复合胶凝材料浆体在不同龄期的热重分析结果，通过数学分析得到同一体系中水泥和掺合料的实时水化/反应程度，从而提炼水泥水化程度和掺合料反应程度的时间函数，作为二元复合胶凝材料的水化动力学模型。以水化模型输出的产物体积膨胀系数、微结构实验结果、胶凝材料的组成、细度及水胶比为输入参数，建立计算机模型，用于模拟二元复合胶凝材料浆体在特定水化状态的微结构。微结构随时间的演化可通过水化动力学模型获知。计算机模型输出的数字化微结构将被用于计算传输性能。项目拟研究的内容属混凝土结构材料基础研究，研究成果将为混凝土材料性能的准确预测及混凝土结构耐久性的准确评估提供相关的理论基础与技术支持。

混凝土可视为由胶凝材料浆体（胶凝材料、水及所需外加剂）和骨料组成的复合材料。传统混凝土多以水泥，尤其是硅酸盐水泥（国际上称波特兰水泥），作为单一胶凝材料。然而，现代混凝土多采用粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料取代部分水泥，形成复合胶凝材料体系，以达到降低成本、提高性能、节能减排等目的。掺合料的加入增加了混凝土的复杂性，使混凝土的配合比设计和性能预测变得更加困难。本项目旨在通过对复合胶凝材料体系水化和微结构的基础研究，最终实现对复合胶凝材料体系性能的准确预测。项目以胶凝材料的化学成分为输入参数，讨论了水泥-硅灰和水泥-粉煤灰二元复合胶凝材料的水化模型；结合水化模型和复合胶凝材料浆体在不同龄期的热重分析结果，通过数学分析得到了同一体系中水泥和掺合料的实时水化/反应程度，从而提炼出了水泥水化程度和掺合料反应程度的时间函数，作为二元复合胶凝材料的水化动力学模型；以水化模型输出的产物体积膨胀系数、微结构实验结果、胶凝材料的组成、细度及水胶比为输入参数，建立了计算机模型，用于模拟二元复合胶凝材料浆体在特定水化状态的微结构。微结构随时间的演化可通过水化动力学模型获知。项目还初步建立了混凝土中界面过渡区微结构的模拟方法。计算机模型输出的数字化微结构可被用于计算传输性能及其他性能。项目也初步提出了从数字化微结构直接计算等效传输系数的方法。该项目的研究内容属混凝土结构材料基础研究，研究成果可为混凝土材料性能的准确预测及混凝土结构耐久性的准确评估提供相关的理论基础与技术支持。