至今,水泥基材料仍广泛应用于我国水利、土木和国防等领域的基础设施建设。由于各领域建设的基础设施工程将面临我国不同严酷环境的考验,因此对水泥基材料的强度、渗透性和耐久性等宏观物理性能提出了更高的要求。水泥基材料的水化历程和孔结构演变往往能够影响其宏观物理性能。要想提高水泥基材料的宏观物理性能,需掌握其水化机理和孔结构演变规律。为此,本文基于阻抗法,重点从电学角度研究水泥基材料水化历程,并结合分形理论尝试探究水泥基材料孔结构演变过程。主要研究内容及相关结论如下:1.在水化初始阶段,水泥颗粒溶解出带电离子,纯水泥浆体的阻抗模量随水化时间逐渐降低,此时纯水泥浆体近似为纯电阻。当阻抗模量降低到最小值时,纯水泥浆体溶液达到饱和状态。随后,阻抗模量快速上升,且出现不同频率的阻抗曲线逐渐分离,预示浆体中初始孔结构基本形成。M-水泥浆体早期的水化过程可划分为四个阶段:第一溶解阶段、加速水化阶段、第二溶解阶段和凝结硬化阶段。与纯水泥浆体比较,第二溶解阶段为M-水泥浆体的特征水化阶段,这一阶段主要由M在适当的碱性溶液环境中的火山灰反应控制。高掺量LP-水泥浆体早期的水化过程也可划分为四个阶段,即溶解阶段、加速水化阶段、动态平衡阶段和凝结硬化阶段。相比纯水泥浆体,动态平衡阶段为高掺量LP-水泥浆体的特征水化阶段。这一水化阶段只有当LP掺量高于50%时才出现。2.由于水泥基材料的孔结构具有一定的分形特征,且其小孔在孔结构中所占比例较高,因此本文选用分形树状模型模拟其孔结构。基于分形树状模型,本文建立了孔结构网络和相应的分形电网络,将水泥基材料孔结构和其电阻抗响应关联。依据两个网络的多级多分支特点和分形尺度定律,本文推导了基于阻抗法的水泥基材料孔隙率、孔迂曲度和孔尺寸分布等孔结构参数计算公式。分析了水泥基材料不同孔结构参数随水化进程的变化规律。比较了阻抗模拟结果和压汞(Mercury Intrusion Porosimetry,MIP)试验结果,可以体现非接触阻抗测量快速和无损的优势。另外,采用基于热力学关系的水泥基材料孔结构分形模型发现:随着水化进行,M-水泥浆体的孔表面积分形维数逐渐增大,并发现10%掺量的M最有利于浆体孔结构的优化。3.基于阻抗法的研究结果可以发现,矿粉和聚羟酸减水剂对浆体早期的水化都有一定的延缓作用,并且矿粉对水泥浆体早期水化的影响作用强于聚羧酸减水剂。通过测试水泥浆体累积水化放热量、水化放热速率、抗压强度和凝结时间,印证了阻抗法得到的结论。矿粉对水泥浆体水化的延缓作用,主要由于矿粉对水泥的稀释作用,导致浆体中氢氧化钙不足,不能在早期充分激发矿粉的火山灰活性。聚羧酸减水剂对水泥水化的延缓作用是由于其吸附在水泥颗粒表面形成空间位阻效应,阻碍了浆体中的离子沉淀造成的。另外,初步建立了水泥浆体累积水化放热量与孔体积的定量关系,发现二者具有较好的线性负相关性。4.通过建立分形叶脉网络,探讨孔结构参数和溶液电导率对其电学性能的影响,以期能够为水泥基材料孔结构研究提供一些参考。分形叶脉模型初始孔径的增大和初始孔长的减小,均意味着离子迁移难度降低,导致总等效电阻减小。孔径尺度因子和孔长尺度因子对总等效电阻的影响分别与初始孔径和初始孔长相似。随着分形叶脉网络级数的增大和分形叶脉模型孔隙率的减小,孔结构将变得密实,离子迁移受到更多的限制,导致总等效电阻增大。另外,分形叶脉模型总等效电阻随着孔尺寸分布分形维数和电解质溶液电导率的增大而逐渐减小。本文还研究了电解质溶液的浓度与温度和外加频率对其电导率实部和虚部的影响。电解质温度的升高导致电解质溶液中离子活化能增大,离子迁移加快,从而有利于其电导率实部和虚部增大。电解质浓度对其电导率实部也有相同影响,而电解质浓度与其电导率虚部的关系无规律性,这可能同电导率虚部的数值相对较小,对影响因素敏感性较高有关。另外,电解质溶液虚部随外加频率增大而增大,而实部则不受外加频率影响。