水泥-矿渣复合胶凝材料水化动力学模型研究

本书以水泥矿渣复合胶凝材料为研究对象，研究了该复合胶凝材料体系水化动力学模型，为现代复合胶凝材料的水化动力学建模提供了框架，可供高校和科研院所土木工程等专业的师生以及相关领域的技术人员阅读参考。

 

本书从纯C3S单矿出发，建立水化动力学模型，在C3S水化动力学模型的基础上，考虑硅酸盐水泥的水化机理、以石英为代表的惰性掺合料的物理作用和以矿渣为代表的火山灰材料的化学反应，层层递进，清楚详细地说明了不同形式的水泥水化动力学的联系和区别，形成了一个完整的体系，对于了解掺加不同掺合料的水泥水化速率、水化产物的生成过程和硬化水泥的物相组成有重要的意义，使水泥水化动力学体系更加完善。

张增起，先后在清华大学获得学士（2014）、博士（2019）学位，师从阎培渝教授，获得北京市优秀博士毕业生称号、土木工程系学术新秀、清华大学优秀博士论文、中国硅酸盐学会优秀博士学位论文提名。2019年1月获得清华大学博士后支持计划。研究方向主要涵盖复合水泥基材料水化动力学、新型水泥基材料体系水化机理、高性能混凝土材料和工业固废的处理应用等。近五年来，主持或作为主要完成人参与多项基金委科研项目；发表期刊论文20余篇（SCI/通讯作者10余篇，他引100余次）；参编专著1部、标准规范1项。

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2水泥矿渣复合胶凝材料水化机理研究进展

1.2.1水泥水化机理

1.2.2矿渣水化机理

1.2.3水泥矿渣复合胶凝材料水化机理

1.3水泥基材料水化动力学模型概述

1.3.1水泥水化动力学模型

1.3.2矿物掺合料水化动力学模型

1.4水泥基材料水化动力学研究方法概述

1.4.1化学结合水法

1.4.2CH定量法

1.4.3等温量热法

1.4.4化学收缩法

1.4.5电导率方法

1.4.6选择性溶解法

1.4.7图像处理法

1.4.8XRD全谱拟合定量法

1.5现有模型研究中的缺陷与不足

1.6本书研究内容与技术路线

1.7本书章节安排

第2章原材料与实验方法

2.1原材料

2.2实验方法

2.2.1实验样品制备

2.2.2等温量热实验

2.2.3孔溶液离子浓度测定

2.2.4化学结合水量

2.2.5热重分析

2.2.6扫描电子显微镜背散射电子像分析

2.2.7扫描电子显微镜二次电子像分析

2.2.8XRD全谱拟合定量分析

第3章典型晶体成核与生长模型推导过程及其缺陷

3.1JMAK模型

3.1.1基本假设

3.1.2推导过程

3.2BNG模型

3.2.1基本假设

3.2.2推导过程

3.3实例计算

3.4模型缺陷

3.5建模方向

3.6本章小结

第4章纯C3S水化动力学模型

4.1C3S水化动力学热力学模型

4.1.1热力学模型基本假定

4.1.2C3S溶解动力学

4.1.3CSH成核速率

4.1.4CSH沉淀速率

4.1.5CH沉淀速率

4.1.6孔溶液液相属性

4.1.7动力学参数敏感性分析

4.2纯C3S动力学拟合过程及结果

4.2.1动力学模型拟合方法和过程

4.2.2纯C3S动力学拟合结果

4.3温度对纯C3S水化动力学的影响

4.4粒径对纯C3S水化动力学的影响

4.5本章小结

第5章纯硅酸盐水泥水化动力学模型

5.1纯硅酸盐水泥水化动力学模型

5.1.1硅酸盐水泥早期水化动力学模型

5.1.2硅酸盐水泥后期水化动力学模型

5.2纯硅酸盐水泥水化动力学模型计算过程

5.3水灰比对硅酸盐水泥水化动力学的影响

5.3.1水化动力学模型拟合

5.3.2不同水灰比的硅酸盐水泥的动力学模型参数验证

5.3.3硬化浆体物相组成计算分析

5.4温度对硅酸盐水泥水化动力学的影响

5.4.1水化动力学模型拟合

5.4.2硬化浆体物相组成计算分析

5.5本章小结

第6章惰性掺合料对硅酸盐水泥水化动力学的影响

6.1含惰性掺合料硅酸盐水泥水化动力学模型

6.1.1惰性掺合料在硅酸盐水泥水化过程中的作用机理

6.1.2含惰性掺合料的硅酸盐水泥水化动力学模型推导

6.2含惰性掺合料的硅酸盐水泥水化动力学模型拟合

6.3石英粉细度和掺量对硅酸盐水泥水化动力学的影响

6.3.1水化动力学模型拟合

6.3.2硬化浆体的物相组成计算分析

6.4温度对惰性掺合料在水泥水化硬化过程中作用效果的影响

6.4.1水化动力学模型拟合

6.4.2硬化浆体物相组成计算分析

6.5本章小结

第7章水泥矿渣复合胶凝材料水化动力学模型

7.1水泥矿渣复合材料水化动力学模型推导

7.1.1矿渣反应过程中的基本参数确定

7.1.2水泥矿渣复合材料水化动力学实验数据

7.1.3矿渣水化动力学的模型推导

7.2水泥矿渣复合材料水化动力学模型拟合方法与过程

7.3常温条件下水泥矿渣复合材料水化动力学模型拟合计算

7.3.1水泥矿渣复合材料水化动力学模型拟合结果

7.3.2硬化浆体物相组成计算分析

7.4高温条件下水泥矿渣复合材料水化动力学模型拟合计算

7.4.1水泥矿渣复合材料水化动力学模型拟合结果

7.4.2硬化复合胶凝材料浆体的物相组成计算分析

7.5本章小结

第8章结论与展望

8.1研究结果

8.2主要学术贡献和创新点

8.2.1主要学术贡献

8.2.2创新点

8.3存在的问题与展望

附录A纯C3S水化动力学模拟计算过程

A.1纯C3S水化动力学模型离散化

A.2纯C3S水化动力学模型计算框架

附录B纯硅酸盐水泥水化动力学模拟计算过程

B.1纯硅酸盐水泥水化动力学模型离散化

B.2纯硅酸盐水泥水化动力学模型计算框架

附录C水泥矿渣复合胶凝材料水化动力学模拟过程

C.1矿渣火山灰反应动力学模型离散化

C.2水泥矿渣复合材料体系水化动力学模型计算框架

参考文献

在学期间发表的学术论文

致谢

导师序言

现代混凝土大量使用辅助性胶凝材料，以减少自然资源的消耗和温室气体排放，综合利用固体工业废渣，提高混凝土的绿色度。精确描述现代混凝土所用多组分复合胶凝材料的水化过程是指导现代混凝土配制的基本科学问题，具有重要的理论意义与实用价值。本书建立了水泥矿渣复合胶凝材料的水化动力学模型，以研究该复合胶凝材料体系的水化过程。
张增起博士全面掌握了国内外胶凝材料水化机理与水化动力学的研究现状，分析了几种经典的胶凝材料水化模型的特点与不足。基于“蚀坑”理论、BNG模型、Jander方程和局部生长假说等理论，张增起采用遗传算法拟合得到在不同胶凝材料体系中的成核速率、沉淀速率、生长速率等动力学参数，提出了修正后的水化动力学模型，并与试验结果进行对比，证明了模型的正确性。本书将复杂的水泥矿渣复合胶凝体系的水化过程分成几个阶段来处理： 首先，研究硅酸盐水泥熟料中含量多的C3S的水化动力学，在现有BNG模型的基础上对其主要水化产物CSH的生长速率使用局部生长假定进行了修正，并研究了粒径大小对C3S矿物水化的影响； 其次，在C3S水化动力学基础上，提出了纯硅酸盐水泥的水化理论模型，在扩散控制阶段使用了修正的Jander模型来表征，通过早龄期水泥水化热测量结果校准了模型参数，通过测定硬化水泥浆的矿物与化学组成验证了水化模型； 再次，利用水泥石英粉复合体系来研究惰性填料对水泥水化过程的物理作用，阐明了惰性填料对水泥的稀释、加速熟料矿物溶解以及增加水化产物成核面积等作用，通过对纯硅酸盐水泥的水化动力学模型的修正，得到水泥石英粉体系的水化动力学模型，并通过测定水化热以及物相组成来校准和验证该模型； 后，研究水泥矿渣复合体系的水化动力学，确定了矿渣水化的触发条件和反应程度，分别考虑水泥与矿渣的水化过程，建立了水泥矿渣复合胶凝材料的水化动力学模型，并通过实际试验结果予以验证。本书的研究内容从水泥熟料单矿物到水泥矿渣复合胶凝材料层层递进，清楚详细地说明了不同形式的胶凝材料的水化动力学的联系和区别，形成了一个完整的体系，这对于了解添加不同掺合料的水泥的水化速率、水化产物的生成过程和硬化水泥的物相组成有重要的意义，丰富了水泥水化动力学体系。本书得到的模型较为复杂，但具有较高科学性，对提高复合胶凝体系水化过程的科学认识有推动作用。本书采用的研究手段先进，实验数据客观翔实，公式推导与分析过程严谨，创新点突出，结论正确。本书展示的研究成果可为混凝土材料水化及性能演化机理研究提供重要的帮助。

阎培渝

清华大学土木工程系

2020年3月10日