基于显微CT的水泥基材料细观特征及孔隙演化机理研究

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水泥基材料的力学性能、抗冻性等宏观性能与其细观结构如水泥基体中的孔隙结构、增强材料的空间分布、基体相与增强相的界面紧密。因此,从细观尺度分析水泥基材料内部结构对理解材料宏观性能具有重要意义。本文分别以水泥石和硬化水泥砂浆的孔隙结构为研究对象,借助于显微CT(Micro-CT),分别研究水泥石在养护期间孔隙结构的变化规律以及硬化水泥砂浆受冻融作用下孔隙结构的变化规律,从孔隙尺度探究水泥石的强度强化机理和硬化水泥砂浆的冻融损伤机理。本文主要研究工作如下:(1)获取了亚微米级(0.697μm)的水泥石CT图像,详细描述了水泥石细观物理结构特征以及在养护期间的演化过程;从三维图像中截取孔隙表征单元体,使用斜率灰度阈值法提取了表征单元体内的孔隙数据体,同时以孔隙率为指标验证了所选孔隙表征单元体具有整体代表性;统计孔隙体素计算孔隙率、孔隙体积、孔隙表面积,使用局部厚度法计算孔隙孔径、平均孔径,使用洪水填充算法计算孔隙连通性,得到了一系列孔隙参数;通过已水化水泥颗粒体积与水泥总体积之比确定了水泥水化程度;研究了养护期间水泥石孔隙参数、水化程度变化规律以及水灰比对孔隙结构、水化程度的影响;结合抗压强度试验结果,探讨了养护期间水泥石强度强化机理以及水灰比对强度影响机制。(2)获取了微米级(3.344μm)的硬化水泥砂浆CT图像,详细描述了硬化水泥砂浆孔隙分布特征以及冻融微裂缝的发展特点;从三维图像中截取孔隙表征单元体,使用斜率灰度阈值法提取了表征单元体内的孔隙数据体,同时考虑孔隙和微裂缝的分布特征,以细骨料体积分数为指标验证了所选孔隙表征单元体具有整体代表性;计算得到孔隙率、孔隙体积、孔径、孔隙表面积、平均孔径、孔隙连通性等各类孔隙参数,研究了冻融循环作用下硬化水泥砂浆孔隙参数变化规律以及水灰比对孔隙结构的影响;以分形维数为统计损伤值,基于Matlab平台使用盒维数法定量表征了不同冻融循环下的砂浆试样损伤程度,分析了水灰比对冻融损伤程度的影响机理。(3)使用数字图像处理技术和Matlab自编程序,精确识别了水泥基体与细骨料的界面区,将硬化水泥砂浆CT图像转化为数字化四值图像;基于四值化图像,采用映射网格方法生成二维有限元模型,建立了硬化水泥砂浆的细观分析模型;基于细观模型,进行了硬化水泥砂浆冻融试验的数值模拟,取得了冻融过程中材料内部应力应变分布与变化特征,探讨冻融破坏机理。
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