低水胶比是水泥基材料实现高强、高耐久性能的主要技术手段,对提高超高层建筑、大跨度桥梁等国家重大工程的使用寿命具有重大意义。低水胶比制备工艺可以改善水泥水化产物的致密性,提高水泥基材料的力学性能和抗渗透等耐久性能。但是,水胶比过低(W/C<0.23)、水泥用量高的特征,导致浆体拌合水用量远低于水泥水化反应理论需水量。使低水胶比水泥基材料水化进程对外界坏境的敏感性较高。基体结构内部水泥水化程度低,引发未水化颗粒在长期服役过程中持续水化产生体积不稳定性;水化进程空间分布的不一致,引发硬化过程中结构表面产生界面缺陷及脆性开裂。本文依托国家重点研发计划(2016YFC0701003-5),基于水化程度均一化的设计理念,提出梯度结构的低水胶比水泥基材料制备方法。通过低水胶比条件下矿物微粉和聚合物组分对水泥基材料的调控和改性机制研究,基于梯度层功能需求进行胶凝材料组分设计。实现高耐久低水胶比水泥基材料制备理论的探索和工艺完善。论文主要的研究工作和取得的创新性成果如下:(1)建立基于浆体致密性的水泥-矿物微粉材料组分优化匹配方法。探明低水胶比条件下矿物微粉对水泥基材料结构和性能调控机制。研究水泥-矿物微粉协同作用下,浆体的流变性能、水化进程以及水化产物特征和硬化体性能。基于不同矿物组分颗粒浆体状态下“水膜”厚度边界条件优化紧密堆积设计。开展低水胶比条件下矿物微粉对水泥基材料的水化调控机制和结构性能研究:采用水化活性系数法,计算单位掺量的硅灰、粉煤灰、湿磨活化粉煤灰和硅溶胶,28 d水化活性系数分别为3.98、0.06、0.13和0.72,材料的力学性能、硬化浆体的孔隙率与浆体堆积密实度之间具有较好的一致性。(2)探明聚合物作用下水泥基材料的水化反应和吸附机制。研究聚合物参与下的水泥基材料浆体流动特征、物理吸附机制与水化反应:浆体中水泥颗粒与聚合物之间发生的物理吸附和化学反应是导致浆体团聚现象产生和流动性能损失的根本原因。揭示聚合物对水泥基材料水化作用机理并建立水泥-PA早期水化反应吸附模型;研究低水胶比条件下水泥-聚合物水化产物结构及性能,为聚合物改性低水胶比水泥基材料制备技术提供理论支撑。(3)研发基于水化程度均一化的梯度结构高性能低水胶比水泥基材料。采用纵深水化程度实验,精确测定养护环境中水分扩散迁移和温度变化对水化产物空间分布影响规律。揭示温度场、湿度场对低水胶比水泥基材料水化作用影响机制:水化早期塑性浆体阶段,界面水分扩散传输速率取决于环境温度、浆体粘度以及内外湿度差,造成随水胶比降低或早期温度提高,水化程度空间分布差异性增大;浆体初步硬化后,来源于毛细吸附作用的界面水分传输驱动力降低,胶凝材料内外水化程度差异会进一步增加。通过进行内外梯度层胶凝材料组分设计(外部保护层采用聚合物改性高性能混凝土,内部基体层采用低水泥致密混凝土),研发基于水化程度均一化的梯度结构低水胶比水泥基材料(CGCC)。相较于单一组分材料,CGCC可显著降低水泥熟料用量,提高水泥综合水化程度(90 d龄期增加38.6%)。并获得较好的体积稳定性和耐久性(90d龄期试件氯离子渗透系数降低30.5%;早期3 d塑性收缩和90 d干燥收缩分别降低22.5%和24.3%)。以上研究成果可完善低水胶比条件下水泥基材料的水化硬化机理和制备理论。为低水胶比水泥基材料的性能优化设计和工程应用推广提供技术支撑。对建筑结构的使用性能和耐久性提升具有重要意义。