聚合物—水泥复合胶凝材料的硬化机理及水化模型研究

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聚合物通过改性水泥基材提高混凝土性能的方法已经在我国基础设施建设中得到了广泛应用。然而,聚合物对水泥基材料凝结硬化的影响作用仍以定性描述为主,尚未形成量化的指标体系和计算方法来表征聚合物的影响作用,当前针对聚合物-水泥复合胶凝材料的水化热力学研究不够深入。因此,本文以环氧乳液为例,从材料微观特性出发,通过试验研究,结合机理分析和模型开发,探究了聚合物对水泥水化反应的动力学和热力学阻滞作用机理。首先制备环氧乳液掺量为0%、10%、20%的复合水泥浆体,通过等温放热试验探讨了聚合物对水泥浆体水化放热过程的影响。研究发现,环氧乳液的掺入导致水化放热速率、各反应阶段时长和累计放热量存在显著差异。其中,环氧乳液降低了水泥浆体初始水化放热速率,延长了水泥水化放热速率的诱导期和加速期,降低了水化放热速率最大峰值,抑制了“硫酸盐消耗峰”的形成,且聚合物掺量越高,影响水泥水化放热速率的作用效果越明显。通过原位XRD试验研究了聚合物对水泥矿物熟料溶解、水化产物沉淀的阻滞作用。研究发现,环氧乳液通过延缓水泥矿物熟料的溶解和水化产物的沉淀而显著延缓了钙矾石生成反应、铝酸盐水化反应和硅酸盐水化反应过程。其中,环氧乳液通过减少铝酸三钙(C3A)矿物的初始溶解量和钙矾石的初始沉淀量,延缓了钙矾石生成反应;通过减缓C3A矿物的溶解速率,延缓了铝酸盐水化反应;通过减缓硅酸三钙(C3S)矿物的溶解和氢氧化钙的沉淀速率,延缓了硅酸盐水化反应。同时,基于上述试验,提出随时间演变的聚合物阻滞作用机理,分析探讨了其对钙矾石生成反应、铝酸盐水化反应、硅酸盐水化反应的阻滞作用过程,为研究聚合物改性混凝土的配合比设计提供了理论依据。基于原始多组分水化模型,分别从钙矾石生成反应、铝酸盐水化反应和硅酸盐水化反应方面探讨了环氧乳液对水泥水化的阻滞作用,并在原始多组分水化模型中引入聚合物阻滞作用参数K,以表示聚合物对水泥矿物熟料的放热速率Hi的阻滞作用。此外,通过对比试验结果和数值模拟结果,验证了该模型适用于预测环氧乳液改性水泥浆体的水化动力学和热力学,全面地考虑了聚合物阻滞作用随时间的演变过程,为深入研究水泥矿物熟料的含量演变过程提供了更多细节,还为设计满足我国水利基础设施建设需求的高性能混凝土具有重要的科学价值和工程意义。
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