论文总字数：29899字

摘 要

随着建筑行业的快速发展，社会对混凝土的使用年限不断提出新的的要求，混凝土的耐久性也受到极大关注。在混凝土的结构中，界面过渡区是物理性能最为脆弱的环节，因此界面过渡区的性质可以说决定了混凝土的耐久性。界面过渡区的形成机理包括单边生长效应、“边界”效应、微区泌水效应、絮凝作用、离子的迁移与沉积及成核作用和浆体的收缩作用等，本文主要围绕边界效应展开。

通过实验的方式研究边界效应，制备尺寸为1mm*1mm*20mm的水泥粉体堆积样品，在其内部插入厚度在0.2±0.1mm范围内的材料，分别是：铝板、石英玻璃板和塑料。利用课题组在前期研究过程中所提出的平板放大法，使用高分辨率X-CT设备对样品进行扫描，再利用VG软件对得到的三维堆栈图像进行处理与统计，以获取关于边界效应的定量信息。经研究发现距离边界处越近的水泥粉颗粒粒径越小，数量也较少，距离边界较远的水泥粉颗粒则有相对较多的数量和较大的粒径与体积，从数据的角度证明了边界效应。而制备的三种不同的样品的界面过渡区宽度分别为16μm、15μm和16μm，在界面过渡区的宽度上并没有出现明显差别，表示界面过渡区宽度与界面材料无明显关系。

关键词：界面过渡区；边界效应；CT设备；三维堆栈图像；平板放大

Abstract：With the rapid development of the construction industry, society has constantly put forward new requirements for the service life of concrete, and the durability of concrete has also received great attention. In the concrete structure, the interface transition zone is the most vulnerable part of the physical properties, so the nature of the interface transition zone can be said to determine the durability of the concrete. The formation mechanism of the interfacial transition zone includes unilateral growth effect, “boundary” effect, microscopic bleeding effect, flocculation, migration and deposition of ions, nucleation, and shrinkage of the slurry. This article mainly focuses on the boundary effect.

The boundary effect was studied experimentally to prepare a sample of cement powder with a size of 1mm*1mm*20mm, and a material with a thickness in the range of 0.2±0.1mm was inserted into the interior, which were: aluminum plate, quartz glass plate, and plastic. Using the plate magnification method proposed by the research group in the previous research process, the samples were scanned using high-resolution X-CT equipment, and the obtained three-dimensional stack images were processed and counted using VG software to obtain the quantitative quantification of the boundary effects. information. The study found that the closer the particle size of the cement powder is to the boundary, the smaller the particle size is, and the smaller the distance to the cement powder particles is, the greater the number and the larger particle size and volume are. The boundary effect was proved. The widths of the interfacial transition zones of the three different samples prepared were 16μm, 15μm and 16μm, respectively, and there was no significant difference in the width of the interfacial transition zone, indicating that the interfacial transition zone width has nothing to do with the interface material.

Key words：interfacial transition zone, wall effect, CT equipment, 3D stack image, tablet magnification method

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 混凝土界面过渡区的形成机理 2

1.2.1 单边生长效应 2

1.2.2 边界效应 2

1.2.3 微区泌水效应 2

1.2.4 絮凝作用 3

1.2.5 离子的迁移与沉积及成核作用 3

1.2.6 浆体的收缩作用（syneresis） 3

1.3 混凝土界面过渡区研究历史 3

1.4 常用界面过渡区表征方法 4

1.4.1 宏观技术 4

1.4.2 微观技术 5

1.4.3 模拟技术 5

1.5 平板放大法 5

1.6 研究目的与主要研究内容 7

第二章 实验设备与试验方法 8

2.1 实验方案设计 8

2.2 原材料 8

2.3 试验样品制备 9

2.3.1 水泥粉—铝板样品制备 9

2.3.2 水泥粉—石英玻璃板样品制备 10

2.3.3 水泥粉—塑料薄片样品制备 10

2.4 X-CT图像扫描设备 10

2.4.1 图像扫描原理 10

2.4.2 X-CT设备操作步骤 11

2.5 VGStudio软件及图像处理方法 13

2.5.1 VGStudio软件简介 13

2.5.2 对三维堆栈图像数据的预处理 14

2.5.3 利用VG软件进行图像统计分析 15

第三章 实验结果分析 18

3.1 切片平均灰度值 18

3.1.1 水泥粉—铝板样品 18

3.1.2 水泥粉—石英玻璃板样品 19

3.1.3 水泥粉—塑料薄片样品 20

3.1.4 三种样品的比较 21

3.2 单张切片的灰度分布直方图 21

3.2.1 水泥粉—铝板样品 22

3.2.2 水泥粉—石英玻璃板样品 22

3.2.3 水泥粉—塑料薄片样品 23

3.2.4 三种样品的比较 24

3.3 颗粒粒径与数量、体积的对应关系 24

3.3.1 水泥粉—铝板样品 25

3.3.2 水泥粉—石英玻璃板样品 26

3.3.3 水泥粉—塑料薄片样品 27

3.3.4 三种样品的比较 29

第四章 结论 30

4.1 本文主要结论 30

4.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 引言

水泥这种建筑材料已经有了将近二百年的应用历史，从初问世到现在，二百年的发展历史已经将水泥变成了一种几乎能适应人类对建筑的任何需求，接近万能的优秀建筑材料。到现在为止水泥混凝土已经成为了当之无愧的世界第一建筑材料，世界上绝大多数的建筑都是以水泥混凝土为主体建造而成。而随着我们国家近几十年的高速发展，各类基础建设项目被大大推广，类似三峡大坝、港珠澳大桥等超级工程的数量与日俱增，几乎全国各地都有类似的超大项目在分别进行着。作为要支持如此之多，并且无比重要的工程项目的第一材料，混凝土的耐久性从一开始就是各研究者眼中的重中之重。我国对混凝土耐久性的重点研究也有数十年的历史，不仅如此，随着社会对建筑的要求不断提高，建筑行业对混凝土性能的期待也与日俱增。因此，混凝土的耐久性问题不但没有随着各项研究的展开而逐渐降低，反而是时时刻刻都面临着崭新的要求与挑战。

能够对混凝土各项性能产生影响的因素有很多，但由于混凝土这种材料本身的特殊性质，究其根本，总是避免不了对混凝土微观结构的研究与探索，即是说混凝土的微观结构不同导致了在宏观上表现出混凝土各项性能的差异。而从微观结构的视角出发，就在混凝土中，水泥浆体与骨料、水泥浆体与模具之间的接触面附近总会出现一种与水泥浆体“主体”在结构、密度、形貌、成分上有所不同，并同时造成了强度、耐久性下降的薄区，这层薄区就是界面过渡区。硬化混凝土可基本看做是由三种不同的部分所组成：水泥浆体、界面过渡区与集料^[1]。其中，位于水泥浆体与集料之间的界面过渡区在结构、成分、密度、形貌等方面上与较为远离该区域的水泥浆体之间存在着一定差异，并且在强度、耐久性等方面与主体部分的水泥浆体相比也有所不足。界面过渡区本身的性质与远离界面过渡区的水泥浆体“主体”的性质有所差异，这种差异向外表现为混凝土整体本身的性能受到了影响，事实上，界面过渡区的存在被认为正是导致了混凝土整体各项基本性能降低的主要原因之一。

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