摘 要

功能梯度材料具有其性能和结构的可设计性和控制性，能够对材料的韧性、强度、电学和热学特性等进行人为设计以及控制，适用于不同场合下的应用要求的特点。将梯度材料的概念引入到水泥混凝土中，通过改变混凝土的组分来改善其性能使其能够适用于较为特殊复杂的工程环境中。

近年来人们对于梯度混凝土的研究主要集中在对现有混凝土结构层进行再分层浇注保护层、抗渗层、表面处理等手段，再加以分析梯度结构混凝土中各层界面取向性以及施工工艺对试件的抗压强度和破坏形式等的影响规律。在这方面取得了较好的成绩。但这只是通过外在附加的情况下对于耐久性提升所做的，并没有从水泥基材料自身体系赋予实质性的梯度功能化设计。

论文主要研究了将一定量的纯γ-C₂S掺入到水泥中，制作成水泥试块，经过一段时间的碳化养护和标准养护后，对试块进行应力应变曲线实验测试。并对试块进行热重分析，XRD分析等。

研究结果表明掺入γ-C₂S能够改变水泥试样的内部应力结构，使得试块具有力学性能梯度变化的特性，在承受到压应力破坏时不会瞬间失去支撑能力，依旧能够再承受一点的压力。表现在应力应变曲线上试块被破坏会有下降段的出现并且下降段的趋势平滑。

关键词：γ-C₂S；梯度材料；应力应变；加速碳化；

Abstract

The functionally graded material has the design and controllability of its performance and structure, and can design and control the toughness, strength, electrical and thermal properties of the material, and it can be applied to the application requirements of different occasions. The concept of gradient material is introduced into cement concrete to improve the performance of concrete by changing the composition of concrete so that it can be applied in a particularly complex engineering environment.

In recent years, the research on gradient concrete has focused on the re-stratification of the existing concrete structure layer, the impermeable layer, the surface treatment and other means, and then analyze the interface orientation of the layers in the gradient structure concrete and the construction technology The compressive strength of the specimen and the failure mode. In this regard has achieved good results. But this is only done by external additions to the durability enhancement and does not give a substantial gradient functional design from the cement-based material's own system.

In this paper, we study the incorporation of a certain amount of pure γ-C₂S into cement and make a cement test block. After a period of carbonization and standard curing, the stress-strain curve test of the test piece is carried out. And the test piece for thermogravimetric analysis, XRD analysis.

The results show that the incorporation of γ-C₂S can change the internal stress structure of the cement sample, so that the test piece has the characteristics of the mechanical gradient, and it can not lose the support ability when the compressive stress is damaged. The In the stress-strain curve, the test piece is damaged and the descending section appears and the downward trend is smooth.

Key Words：γ-C₂S；Gradient material；stress-strain；Accelerate carbonization；

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1 功能梯度材料 1

1.2 梯度混凝土的研究现状 2

1.2.1高性能、高耐久性混凝土混凝土 2

1.2.2纤维混凝土 3

1.3 γ-C₂S碳化 4

1.4 研究目的与意义 6

1.5 研究内容及技术路线 7

1.5.1 研究内容 7

1.5.2 技术路线 8

第二章γ-C₂S矿相的制备、检测和分析方法 9

2 .1主要原材料及其性质 9

2.2实验设备 9

2.3 γ-C₂S矿相的制备 9

第三章实验原材料及测试方法 11

3.1 实验原料 11

3.2水泥净浆试件制备 12

3.3实验测试方法 12

3.3.1 MTS力学实验系统 12

3.3.2 TG‐DSC 分析 12

3.3.3 SEM‐EDS分析 12

第四章结果分析与讨论 14

4.1 力学性能分析 14

4.1.1抗压强度 14

4.1.2 弹性模量 15

4.2 TG分析 16

4.3 SEM‐EDS分析 18

第五章结论与展望 20

5.1 结论 20

5.2 展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章绪论

1.1 功能梯度材料

功能梯度材料是根据使用者的具体使用需求，选用两种或者两种以上不同性能的材料，采用先进的材料复合技术, 使得材料中间的组成和结构呈现连续的梯度变化, 在内部不含有显而易见的界面，从而使得材料变成性质和功能都呈现出连续平稳变化的一种非均质复合材料。其特点是其性能和结构的可设计性和控制性，从而实现了对材料的韧性、强度、电学和热学特性等的人为设计以及控制，以便可以适用于不同场合下的应用要求。比如, 在设计航天飞机的燃烧冲压式发动机燃烧室的壁面时,将具有优良耐热性能的陶瓷作为需要接触高温气体的一侧的使用材料，使得这一侧的耐热性能好；而在另外接触到制冷材料的那一侧选用金属材料，能够让这一侧材料具有良好的导热性能以及机械性能。在两个界面之间,使用先进的材料复合技术,通过控制陶瓷与金属的相对组成及组织结构等,使得金属与陶瓷之间的部分的组成和结构呈现出连续的梯度的变化, 内部不存在明显的界面，从而使整个材料具有良好的耐热性和机械强度。

功能梯度材料设计的最初目的是用来缓和热应力,主要是在高温环境中使用,特别适用于材料两侧的具有较大温差的情况下,具有比以往的陶瓷基复合材料更加优秀的耐热性、可靠性、可用性。功能梯度材料利用金属与陶瓷、塑料等等的无机物和有机物的灵活组合的设计，使其具有相比单独一种初始材料来说更优秀的性能，在能源、生物、医学、航空、航天、电磁和光学等领域都有广泛的应用。当梯度材料这个概念出现后吸引了大量学者的注意，渐渐地将这个概念引入到了其他研究领域中，对材料研究发展起到了巨大的推动作用。