我国每年在水利水电工程中消耗的大体积混凝土就达到1000万立方米以上,温度裂缝仍然广泛存在于大坝、大跨度桥梁、港口建筑和高层建筑所使用的大体积混凝土中,控制温度裂缝对大体积混凝土服役安全的保证和耐久性能的提升具有重大意义。除了常规使用冷却管道系统和使用大量矿物掺合料等材料方法降低由水泥水化导致的温度峰值外,外加剂技术也是可供选择的有效方式之一。本研究选取水化温升调节剂(简称为TRI)和膨胀剂用来降低温度峰值、补偿收缩应力,达到降低开裂风险的目的,涉及到的关键科学问题主要为水化温升调节剂对水泥和膨胀剂的水化过程的作用机理。基于研究背景、技术方法和科学问题,本研究从以下四个方面展开:其一,水化温升调节剂对水泥浆体基础性能的影响,研究TRI对水泥水化诱导期的影响并探明作用机理;其二,水化温升调节剂对水泥浆体温度场的影响,研了TRI对水泥水化加速期的影响并探明作用机理;其三,水化温升调节剂对水泥浆体自身体积变形的影响,研究TRI对水泥浆体自收缩性能的影响并探明作用机理;其四,水化温升调节剂对含膨胀剂的水泥基材料体积变形的影响,研究TRI对膨胀剂和水泥膨胀剂复合浆体水化性能的影响并探明作用机理。通过四部分的试验研究,取得了以下创新研究成果:(1)在相同TRI掺量条件下,预先溶解的TRI越多,水泥水化过程中诱导期持续时间越长,溶解在NaOH溶液中的TRI比溶解在水中的TRI对诱导期的延长效果更显著。研究发现,TRI对水泥颗粒的溶解过程和对C-S-H成核过程中的固液界面能影响极小,但可将生成的C-S-H颗粒大小控制在50nm。可归纳溶解的TRI对水泥水化诱导期作用机理:TRI抑制C-S-H生长,当不断生成的C-S-H将溶解的TRI消耗完后,C-S-H成核生长过程才继续进行。将合成的C-S-H预先吸附溶解TRI后加入水泥浆体,被延长的水化诱导期几乎消失,从而对该结论进行了验证。(2)随着TRI掺量的增加,水泥水化加速期的水化速率不断降低,固体TRI样品明显降低了C-S-H的生长速率,溶解的TRI将完全抑制C-S-H的生长。可归纳TRI降低水泥加速期作用水化速率的机理:固体TRI在水泥水化过程中不断溶解在浆体孔溶液中,溶解的TRI分子吸附在部分生成的C-S-H表面抑制C-S-H生长,从而降低了水泥水化加速期的放热速率。此外,通过同时掺入TRI和合成C-S-H或石灰石粉验证了该结论。(3)在相同的水化龄期,随着TRI掺量的增加,TRI的加入可以有效地降低水泥浆体的收缩。采用有效相饱和系数和结晶压理论分析提出TRI的减缩机理:TRI降低了CH和AFt相的生长速率,产生较大的持续时间较长的结晶压力,导致了水泥浆体的膨胀,该膨胀抵消了由水泥产生的自收缩应变。(4)随着TRI掺量的增加,含膨胀剂水泥基材料表现出更大的膨胀应变且相对收缩值减小。可归纳不同掺量TRI对含膨胀剂水泥基材料的膨胀应变的作用机理:掺0.2%TRI对基体的刚度影响较小而延缓了膨胀剂的水化,产生较大膨胀应变,而掺0.4%TRI对水泥浆体的刚度影响较大的同时延缓了膨胀剂的水化,而产生更大膨胀应变。TRI对膨胀剂的作用机理:TRI的加入抑制了钙矾石生长从而延缓了CSA的水化。采用CSA熟料和TRI复合对含膨胀剂水泥基材料体积变形证明了TRI对膨胀剂的作用机理。(5)用经典成核生长理论研究TRI对AFt的成核生长过程的影响,相近的固液界面说明TRI对AFt的成核过程影响较小。电导率曲线下降段斜率随TRI掺量的增加而降低,说明TRI明显降低了AFt的生长速率。另外,在含有0.05g以上溶解的TRI溶液中钙矾石晶体的长度保持在500nm。通过XRD和FT-IR试验说明了TRI吸附在合成的AFt的表面降低其生长速率。综上所述,本文揭示了水化温升调节剂对水泥和膨胀剂水化历程的影响规律及其作用机理,为实现大体积混凝土中温度场和应力场的有效控制、降低大体积混凝土的开裂风险和推广水化温升调节剂在大体积混凝土中的应用提供了科学指导和理论依据。