本文是一篇结构工程论文，本文在之前学者的研究基础上，针对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性弱的问题，提出了基于界面过渡区性能的界面调控方法设计。
第1章 绪论
1.1 课题背景
水泥作为当前全球最重要的建筑材料之一，如今已发展到百余种类，广泛应用于各类新型混凝土的制作当中。但在水泥的制作及施工过程中，常会释放大量的二氧化碳，这无疑会对生态造成一定的影响[1]。在保证混凝土强度的前提下，使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料来替代部分水泥，可以减少单位混凝土的水泥用量。于是，近年来，大掺量粉煤灰混凝土逐渐成为建筑行业的研究热点之一[2]。
因为胶凝材料中含有大量的粉煤灰，大掺量粉煤灰混凝土的诸多性质得到改善，例如和易性提高、收缩性降低、碱骨料反应更不易发生、抗氯离子渗透性提高等等[3]。然而，大掺量粉煤灰混凝土通常也存在诸如早期力学强度下降以及抗冻性不佳等问题。在混凝土中，界面过渡区被认为是其中最薄弱的区域，在大掺量粉煤灰混凝土中尤甚，因为其中存在大量未反应的粉煤灰颗粒。改善大掺量粉煤灰混凝土中的界面过渡区会提升其抗冻性表现[4]。通常，可以在混凝土中掺入矿渣等辅助胶凝材料，通过填充效应和火山灰效应来改善界面过渡区。然而实际情况下，将矿渣直接掺入混凝土中，最终会进入混凝土基体，削弱了对界面过渡区的改善效果[5]。
本研究提出了一种基于响应面方法的大掺量粉煤灰混凝土开发方法，该方法主要使用矿渣改性水泥净浆将粗骨料进行包裹，待其干燥后与其他成分进一步混合以制备大掺量粉煤灰混凝土，粗骨料表面覆盖的水泥净浆在混凝土硬化后会形成界面过渡区，达到定向改善这一薄弱区域的目的。通过在制备矿渣改性水泥浆和表面包裹有水泥浆的粗骨料的过程中采用的变量，利用背散射图像测量不同的大掺量粉煤灰混凝土中界面过渡区的孔隙率[6]。以界面过渡区的孔隙率最小化为目标，优选界面过渡区微观结构最致密的大掺量粉煤灰混凝土。对大掺量粉煤灰混凝土进行抗冻性试验，并对通过界面过渡区微观结构的改善提升混凝土抗冻性进行机理研究[7]。
1.2 研究的目的和意义
大掺量粉煤灰混凝土最初常用于降低水化热，其特点是粉煤灰的水泥替代率大于或等于50%。如今，大掺量粉煤灰混凝土已经被证明可以用于建筑结构项目，因为它可以随着龄期的增长体现出理想的力学性能和卓越的耐久性[8]。然而，与传统混凝土相比，大掺量粉煤灰混凝土的界面过渡区更加薄弱，这是由于粉煤灰的火山灰反应缓慢所导致的。最近对大掺量粉煤灰混凝土的一项研究表明，在养护28天后，粉煤灰的反应度仅为10%-15%左右，大部分粉煤灰颗粒未发生反应。大掺量粉煤灰混凝土界面过渡区中这些未反应的粉煤灰颗粒的存在仅起到惰性填料的作用，不能参与火山灰反应并有助于界面过渡区的致密化。据报道，大掺量粉煤灰混凝土中界面过渡区的孔隙率高达48%，远高于传统混凝土[9]。
此外，研究表明，在破坏过程中，与传统混凝土中的界面过渡区相比，大掺量粉煤灰混凝土中的界面过渡区更容易发生失稳，并以更快的速度破坏[10]。相反，提高大掺量粉煤灰混凝土的界面过渡区可以减轻侵蚀剂的进入，从而增强其抗冻性。当前，符合可持续发展战略的绿色低碳混凝土越来越受到学者及工业人士的重视。采用矿渣改性水泥净浆对粗骨料进行预搅拌包裹的处理方式，可以实现掺合料在ITZ的富集，以此提升界面性能。
第2章 试验准备与试验设计
2.1 原材料
2.1.1 水泥
本次试验所使用的P.Ⅱ 42.5基准水泥，由河北省秦皇岛市浅野有限公司生产，其技术指标见表2-1，其物理属性见表2-4，粒径分布情况见图2-1。
2.1.2 粉煤灰
本试验使用II级粉煤灰进行试验研究，化学成分见表2-2，物理属性见表2-4，其粒径分布情况见图2-1。
2.2 试验方法
2.2.1 扫描电子显微镜测试
扫描电子显微镜（Scanning electronic microscopy, SEM）是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器（见图2-2），它利用窄聚焦的高能电子束对样品进行扫描，通过束流与物质的相互作用激发出次级电子以及其他各种物理信息[32]。对样品的信息进行采集、放大、再成像，达到表征材料微观形貌的目的。它具有景深大、分辨率高、成像直观、立体感强、放大倍数范围宽、待测样品可在三维空间内旋转和倾斜等特点。
2.2.2 X射线能谱分析
X射线能谱分析（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）是一种材料分析技术，常用于对材料微区成分元素种类和含量进行分析。与扫描电子显微镜SEM结合使用时，可以清晰准确地对指定位置或异物进行成分分析，并获取测量样品的形貌与成分数据信息。SEM使用电子束激发样品，被激发的样品会释放不同能量与波长的X射线，通过检测这些X射线的相关特征即可确定样品的元素组成与其含量[33]。X射线能谱分析具有快速、无损、能分析多种元素等特点。然而EDS也有其局限性，如对轻元素的探测能力有限，存在一定的检测极限。
2.2.3 背散射图像分析
背反射电子（backscattered electron, BSE）是扫描电镜发射电子束后被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，具有能量高、产生范围深的特点，其典型深度可达几个微米。BSE图像与SE图像相比，分辨率较低，所以不能较好地反应样品表面形貌的相关信息[34]。但在水泥基微形貌的研究中，BSE图像具有以下两点优势：与图像技术分析结合定量测试物相含量；全面直观地反应硬化后浆体横截面的微观结构。当今，已有学者将背散射图像分析技术应用于混凝土界面过渡区的微观结构研究上，通过对一定数量的界面过渡区图像进行灰度图像分割处理，即可计算出该区域的孔隙面积[35]。
第3章 背散射图像在大掺量粉煤灰混凝土中的应用 ············· 21
3.1引言 ··························· 21
3.2 大掺量粉煤灰混凝土的制备 ·················· 21
第4章 大掺量粉煤灰混凝土界面过渡区微观结构优化 ······················· 29
4.1 引言 ·························· 29
4.2 大掺量粉煤灰混凝土界面过渡区孔隙率结果 ·················· 29
第5章 大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性 ························· 53
5.1 引言 ······················· 53
5.2 大掺量粉煤灰混凝土冻融循环试验 ··········· 54
第5章 大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性
5.1 引言
在我国研究大掺量粉煤灰混凝土的几十年中，HVFA混凝土的抗冻性能一直是学者们重点研究的内容。针对HVFA混凝土抗冻性较弱的问题，有一些研究者试图在其中通过添加引气剂来改善这一性能，但是由于粉煤灰对引气剂具有吸附作用，导致最终的改善效果不佳。本课题采用了矿渣改性水泥净浆预先包裹粗骨料的方法，使用矿物掺合料对HVFA混凝土中的界面过渡区进行调控，明确界面调控机制。HVFA混凝土中的界面过渡区经过调控后微观结构发生变化，明确经过改善后的界面过渡区对水分在其中传输的切断机制[55]。本章将以继续揭示界面调控对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性提升的机理。
本章试验内容包括：最优组和对照组的大掺量粉煤灰混凝土的制备及养护；最优组及对照组冻融循环前大掺量粉煤灰混凝土的吸水率试验；最优组和对照组的大掺量粉煤灰混凝土的冻融循环试验；特定冻融循坏次数（25次与50次）后最优组及对照组的大掺量粉煤灰混凝土的吸水率试验。本章试验具体流程见图5-1。
结论
本文在之前学者的研究基础上，针对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性弱的问题，提出了基于界面过渡区性能的界面调控方法设计。通过矿渣改性水泥净浆对粗骨料进行预先包裹及晾晒处理来优化大掺量粉煤灰混凝土的界面过渡区，从而提高其抗冻性。并对优化后的大掺量粉煤灰混凝土微观结构及抗冻性进行了评价，结论如下：
（1）对于大掺量粉煤灰混凝土，包括水泥浆体的水胶比、胶凝材料中矿渣的含量、粗骨料与水泥浆体的质量比、粗骨料与水泥浆体混合的时间以及混合后的干燥时间在内的5个影响因素中，水胶比和矿渣含量是影响界面过渡区孔隙率的显著变量。界面过渡区的孔隙率首先随着水胶比或矿渣含量的增加而降低，然后随着这些变量的进一步增加而增加。
（2）确定各变量对界面孔隙率的影响不存在交互作用。但确定了水胶比和矿渣掺量，水胶比和粗骨料与水泥浆体的质量比，以及矿渣掺量和粗骨料与水泥浆体的质量比的关键组合，以上三个特定组合均有助于大掺量粉煤灰混凝土界面过渡区孔隙率的降低。
（3）获得了大掺量粉煤灰混凝土界面过渡区孔隙率最低的优化方案。泥浆体的水胶比、胶凝材料中矿渣的含量、粗骨料与水泥浆体的质量比、粗骨料与水泥浆体混合的时间以及混合后的干燥时间值分别为：0.35、3.8 %、3.2、10 min和1 h。在这些优化变量下，测得的界面过渡区的孔隙率远小于优化前。
（4）对于优化后的大掺量粉煤灰混凝土，其抗压强度明显高于优化前的混凝土。通过EDS分析可知，最优组显著增加了水化产物以及ITZ中较少的未反应的矿渣和水泥颗粒，使界面过渡区形成更致密的微观结构。XRD的分析结果与之前BSE测试、EDS分析结果一致，均体现出最优方案下包裹处理对界面过渡区微观结构的改善作用。
参考文献（略）
