磁场作用下含纳米Fe3O4水泥浆体的早期流变与水化特性研究

Based on the principles of magnetorheology, the cement paste containing magnetic particles (nano-Fe3O4) is prepared. The active control of properties of concrete during or after casting is realized through application of magnetic field. The early rheological properties, early hydration kinetics and microstructure development rules of cement paste containing nano-Fe3O4 under magnetic field will be thoroughly and systematically studied in this project. The main research objectives are as follows: to clear the effects of magnetic field strength and dosage of nano-Fe3O4 on the change rules and controlling mechanism of early rheological properties of cement paste; to reveal the early reaction progress and reaction controlling mechanism of cement containing nano-Fe3O4 under magnetic field; to clarify the microstructure evolution and formation mechanism of cement paste containing nano-Fe3O4 under early-age magnetic field. The results of this project will provide theoretical basis for the application of magnetic field to actively control the properties of concrete containing magnetic particles in real-time in practical engineering.

本项目基于磁流变的原理，制备含磁性颗粒（纳米Fe3O4）的水泥浆体，通过外加磁场实现在混凝土浇筑过程中和浇筑完成后对混凝土性能的主动控制。本项目将深入系统研究磁场作用下含纳米Fe3O4水泥浆体的早期流变性能、早期水化动力学和微结构发展规律。主要研究目标包括以下几个方面：明确外加磁场强度和纳米Fe3O4掺量对水泥浆体早期流变性能的影响规律和控制机理；揭示磁场作用下含纳米Fe3O4水泥的早期反应过程和反应控制机制；阐明早期外加磁场作用下含纳米Fe3O4水泥浆体的微结构演变历程和形成机理。本项目的研究成果可为实际工程中应用外加磁场实时主动控制含磁性颗粒混凝土的性能提供理论基础。

基于磁流变的原理，制备含磁性颗粒（纳米四氧化三铁）的水泥浆体，通过调节外加磁场的强度，从而实现实时主动控制含纳米四氧化三铁水泥浆体的流变性能，并探讨磁场强度和纳米四氧化三铁对其早期反应过程和微结构的影响。本项目深入系统研究了磁场作用下含纳米四氧化三铁水泥浆体的早期流变性能、早期水化动力学和微结构发展规律。本项目研究结果表明：新拌纯水泥浆体的流变性能不受磁场作用的影响；新拌水泥浆体的屈服应力和存储模量随着磁场强度或纳米四氧化三铁掺量的增加而增加；磁场作用下纳米四氧化三铁颗粒在新拌水泥浆体中排列成链状结构，增加磁场强度会使纳米四氧化三铁的移动破坏水泥颗粒之间C-S-H凝胶的搭接和絮凝结构，从而增加存储模量，降低磁场强度会降低浆体的存储模量；施加磁场后不会改变含纳米四氧化三铁水泥的水化反应控制机制，其水化动力学过程仍是成核和晶体生长(NG)→相边界反应(I)→扩散(D)；磁场作用下NG阶段和I阶段的水化速率升高，D阶段的水化速率降低，发生反应控制机制转变时的水化程度降低；磁场作用下含纳米四氧化三铁水泥浆体中未水化的水泥熟料矿物相显著降低，生成的钙矾石和Ca(OH)2的量显著增多；磁场能够显著促进含纳米四氧化三铁水泥早期阶段的水化，生成更多的水化产物；磁场改变了钙矾石和Ca(OH)2的显微形貌，钙矾石呈短粗状，生成的Ca(OH)2晶体尺寸更小，且Ca(OH)2晶体分散分布；磁场作用能够改善含纳米四氧化三铁水泥硬化浆体的早期孔结构。本项目的研究成果可为实际工程中应用外加磁场实时主动控制含磁性颗粒混凝土的性能提供理论基础。