基于相渗流调控的含大掺量矿物掺合料复合胶凝材料体系组成设计的研究

In order to guide the resource utilization of high-content industrial residues in cement-based materials and control the performance of cement-based materials, to avoid heavy workload and non-systematicness of pure experimental study, and also to avoid unreliability of pure computer simulation, experimental study will be combined with computer simulation in this project. Meanwhile, by the petcolation theory, the microstructural evolution and macroscopic behavior of composite cementitious materials mixed with high-content mineral admixtures will be studied. By researching the hydration process and reaction mechanism of different compositions in composite cementitious materials, the hydration mechanism of composite cementitious materials can be clarified. Three-dimensional image reconstruction will be used for analyzing the spatial distribution features of composite cementitious material particles, and cellular automata algorithm for describing the hydration mechanism of composite cementitious materials, so as to simulate the kinetics of hydration process. The effect of internal compositions and external environment conditions of composite cementitious materials on percolation characteristics of actual and simulated slurry structure will be analyzed. Furthermore, the correlation between percolation structure and macroscopic properties will be studied. According to the correlation, macroscopic properties of simulated structure will be analyzed and calculated, so as to build the hydration digital model of composite cementitious material based on structure characterization and performance prediction. Finally, by inverting this model and regulating the percolation structure of cement-based materials according to specific performance requirements, the composition of cementitious materials can be designed, and the aim of designing compositions of composite cementitious material based on performance can come true. Then, by experimental verification, the parameters and algorithm of the model can are optimized.

为指导工业废渣在水泥基材料中大掺量、资源化利用及对水泥基材料性能的控制，并避免纯实验研究的繁重工作量与其研究结论的非系统性，以及纯计算机模拟所得结论的不可靠性，课题拟结合实验研究与计算机仿真，运用渗流理论研究含大掺量矿物掺合料的复合胶凝材料浆体微结构演化与宏观行为等科学问题。通过研究复合胶凝材料各组分水化进程及反应机理，阐明复合胶凝材料体系水化机制；对复合胶凝材料颗粒空间分布特征进行三维重构，运用元胞自动机算法描述其水化机制，对水化动力学进行模拟；分析复合胶凝材料组成及外部条件对实际和模拟浆体结构的相渗流特征的影响，研究相渗流结构与宏观性能的关联性，并根据关联性对模拟结构的宏观性能进行分析计算，构建基于结构表征与性能预测的复合胶凝材料水化数值模型；通过模型反演，按相关性能要求对水泥基材料相渗流结构进行调控，对胶凝组分进行配伍，实现按性能设计复合胶凝材料组分的目的，并对模型进行验证及优化。

为指导工业废渣在水泥基材料中大掺量、资源化利用以及对水泥基材料性能的控制，项目以含大掺量矿物掺合料复合胶凝材料体系为研究对象，结合宏微观性能实验与计算机仿真，从整体论角度研究含大掺量矿物掺合料的复合胶凝材料浆体微结构演化与宏观行为等相关科学问题，力图实现复合胶凝材料体系组成的优化设计。结果表明，由于矿渣与粉煤灰自身解聚/水解速率的不同，其在复合胶凝材料体系中作用机理与效果有所差异：矿物掺合料掺入在水化早期均增大了复合胶凝材料体系孔渗流程度，在孔结构特征及力学等物理性能影响方面主要为负效应；矿渣水化活性较高，低掺量时在物理性能影响方面为正效应，但随掺量增大，矿渣对孔渗流程度负面影响远大于火山灰反应的正效应，但通过细度降低可有效调和两者之间的作用效果。而粉煤灰解聚速率非常缓慢，在复合胶凝材料体系中，粉煤灰掺量增大对水化早期物理力学性能的影响均为负效应，细度降低仅在孔渗流程度与孔特征的改善方面具有一定作用，水化后期粉煤灰以改善孔渗流程度的正效应为主。复合胶凝材料水化动力学计算机模拟结果表明，图像分割能将去噪后的图像按照特定灰度值分割成不同图层，通过调参过程，发现在统计孔隙参数时，需要将边缘噪声和对结果影响较大的孔隙进行过滤，主要是通过设定上下限（包括孔径和孔面积）来实现。在相同孔隙率情况下，孔结构特征分析结果有助于研究孔径分布对水泥性能的影响。对水泥图像中的主要物象根据物象组合关系函数进行分类，能够很好的使三维结构中各物象的体积比例与二维结构中的面积比例相匹配；研究了基于结构表征与性能预测的复合胶凝材料水化数值模型构建，结果表明，遗传算法进行迭代优化拟合出多参数数值公式能够更好的实现材料力学性能的预测。构造的多参数模型能够很好的实现材料力学性能的预测，复合胶凝材料体系预测过程中由于矿物掺合料的种类不同对拟合偏差影响较大，活性较高的掺合料拟合偏差越小。研究结果对实现复合胶凝材料体系组成的优化设计，推进水泥工业的节能减排工作及促进水泥基材料科学发展具有重要意义。项目已经全面完成了预期研究内容和研究目标，完成了19篇学术论文的发表，其中EI/SCI共计12篇、1项软件著作权的登记、11项发明专利的申报及6名研究生的培养任务。