静置状态下新拌水泥基材料微结构构筑机制及流变学表征

New technologies provide possible solutions for building of complex infrastructures and fast and economic construction, such as 3D printing building, smart dynamic casting, semi-flowable SCC for slip-form paving. These new technologies require fresh concrete quickly gain shape-holding capacity and stand still under the action of gravity. Its essence lies in quick structural build-up of cement-based materials at rest. Base on rheological theories and characteristics of cement, this project studies the rheological characterization method for the structural build-up of cement paste at rest. Base on theories of cement hydration and physic-chemistry, the effects of binder, water-binder-ratio, and chemical admixtures on the structural build-up of cement-based materials are studied. Micro-structure and phases analysis techniques are used to study the effects of cement hydration rate and products, interactions between particles, and characteristics of interstitial solution on the structural build-up, and thus, synergic mechanisms of physical action and chemical reaction during structural buildup are revealed. The relationship between rheological parameters and micro-structure is established. The methodology of controlling structural build-up is established, and its principles are clarified. This work can provide theoretical bases and technical supports for the innovative application of cement-based materials.

新建造技术为经济快速的施工及现代复杂工程结构的建造提供了良好的解决方案，例如3D打印建筑、智能动态浇筑及半流动性自密实混凝土铺路技术等。这些新技术均要求成型后的新拌混凝土在极短时间内具有一定的形状保持能力，在重力作用下不发生流动和变形，其本质是静置状态下新拌浆体微结构的快速构筑。本申请项目拟根据流变学理论及水泥基材料的特点，研究静置状态下浆体微结构构筑的流变学表征方法；运用水泥水化及物理化学的相关理论，通过系统试验研究，借助微观测试与物相分析等手段，研究胶凝材料组成、水胶比及化学外加剂等因素对静置状态下浆体微结构构筑的影响规律，分析水泥水化历程及产物、颗粒间相互作用及间隙溶液特性对浆体微结构构筑的作用机制，探明浆体微结构特征与流变参数的关系，揭示物理作用与水化反应在微结构构筑过程中的协同作用，提出微结构构筑调控方法并阐明其原理，为水泥混凝土这一传统材料的创新性运用提供理论基础和技术支撑！

新拌水泥基材料从流态到逐渐失去塑性伴随着内部微结构的形成和不断发展，这是由于范德华力、静电斥力等颗粒间作用力与水泥水化协同作用所致。本项目根据流变学理论与水泥材料的特点，运用理论分析、试验研究和数值计算等研究方法，开展了新拌水泥基材料微结构构筑流变学表征方法及参数、影响新拌浆体微结构构筑的因素、物理作用与水泥水化在新拌浆体微结构构筑过程中的协同作用、新拌浆体微结构构筑调控方法及原理等四个方面内容的研究，取得如下创新成果：（1）建立了可准确反映新拌水泥基材料微结构构筑的小振幅振荡剪切法与静态剪切法两种流变学表征方法，并论证了交流阻抗法和低场核磁共振法等多种先进无损检测方法的可行性和准确性；（2）阐明了硅酸三钙、铝酸三钙和石膏等主要水泥矿物的水化反应对新拌水泥基材料微结构发展的作用，揭示了水化硅酸钙和钙矾石的含量、形貌及空间分布与新拌水泥基材料微结构的相关关系，明确了颗粒间作用力对新拌水泥基材料微结构构筑的影响；（3）探明了温度、矿物掺合料、促凝剂、增稠剂、减水剂、引气剂等新拌水泥基材料微结构构筑的影响规律，揭示了物相变化、胶凝材料组份水化行为改变、颗粒表面性质差异等对新拌水泥基材料微结构构筑的影响机制；（4）提出了用于混凝土3D打印、智能浇筑技术、滑动模板摊铺技术等新兴建造技术的水泥基材料微结构构筑速率评价指标，建立了微结构构筑速率与力学性能与耐久性能的关系。研究成果丰富和发展了水泥混凝土理论，为促进新兴的建造技术提供了重要的理论和技术支持。