普通硅酸盐水泥水化特性研究综述(邓绍云材料方面论文投稿)

1普通硅酸盐水泥水化特性研究综述邓绍云1,2（1.新疆应用职业技术学院新疆奎屯833200；2.新疆永振建筑安装工程有限公司新疆乌苏833000）摘要：本文作者就现代建筑发展的趋势，建筑材料的研制开发利用的发展方向，指出了普通硅酸盐水泥将是现在及今后一段时间内非常重要的建筑材料之一，并指出了研究其水化特性的重要性和必要性及关键性。作者阐述了普通硅酸盐水泥水化的普遍特性；回顾了国内外对普通硅酸盐水泥水化特性的研究历程，并总结了普通硅酸盐水泥水化特性研究现状与成果；预见了水泥研究的发展趋势与方向，并对高性能水泥的研发指明方位。关键词：水泥；水化反应；特性；研究现状；1.引言混凝土是目前应用较为广泛的建筑材料，而作为构成配制混凝土的重要胶凝材料的水泥中又以普通硅酸盐水泥为应用较为普遍广泛。对于普通硅酸盐水泥的研究始于1824年英国波特兰水泥的发明制造和应用，并至今从来没有中断过。但一个多世纪以来，其研究成果主要集中于强度、耐久性和使用性能方面，但由于时代的发展，高性能水泥的研发要求迫使人们对普通硅酸盐水泥的研究提高要求。2.研究现状与不足混凝土的性能影响因素非常多，有内因和外因之分，对于内因主要在于混凝土的组分材料的品质与特性，而水泥浆是其中关键内因要素之一。故对水泥浆的研究是有关混凝土研究内容之一。2.1水化反应性质研究普通硅酸盐水泥的水化是指其各组分物质与水所起得化合作用，及各物质从无水状态转变为含结合水状态的反应过程，其包含水解和水合两个阶段。其反应过程是个非常复杂，反应数目众多，各个反应从性质上可归类为：化学反应和物理化学反应两种。水泥浆体是指由水泥和水混合后的所成流塑状的浆体物质，由水、水泥各组分物质、不同水化反应程度的水化产物（一般指水泥熟料中四大组成成分的水化反应产物,包括水化硅酸钙(C-S-H凝胶)、氢氧化钙晶体（CHCrystal）、水合铝酸钙、水石榴石（C3AH6）、钙矾石（Aft）或单硫型水化硫铝酸钙（AFm）、铁相固溶体（C4AF）等组成，它是一种极为复杂的、多相、多孔各向异性的物体。对于水泥浆体的微观结构的研究是研究探究其宏观性能和物理力学特性的前提和条件，也只有在对其微观结构清楚准确认识后才能对其宏观性能、物理力学性能很好地把握。2.2微观结构特性研究水泥浆体的微观结构受多种因素的影响，其影响因素主要有：水泥的品种与性能、水泥的水化反应基金项目：：新疆高职精品课程《工程测量》建设项目2013012；新疆高职教改课题201311；新疆应用职院精品课程《建筑工程测量》建设项目XYZJX2014JK03；新疆应用职院精品课程《建筑材料》建设项目XYZJX2014JK08。作者简介：邓绍云(1971-)，男，江西吉安人，博士，博士后，副教授，高级工程师；主要从事水利土木建筑与环境等方面的研究。电子信箱：[e-mail];[e-mail]；[e-mail]。2进行过程及其环境、水泥的纯度、水灰比、水泥的矿物掺合料及其含量与性质等等。对于水泥浆体微观结构的研究方法，历史以来众多学者努力提出各种学说，]A.Dragon[1]曾经提出过孔隙学的概念。该孔隙学概念经J.P.Skalny[2]进一步深化成为专门研究孔隙结构与特性的一门理论学科。他认为孔隙结构包括孔隙率、粒径分布（粒径级配）、孔的空间结构（即孔的形状大小和不同尺寸的孔在三维空间的分布特性等等）水泥浆体在水化反应进行过程中的微观结构是不断变化的，这种微观结构的变化研究非常困难，所以在这个过程中的研究成果很好，几乎空白。而对于已经凝结硬化后的水泥浆体（即水泥石）的微观孔隙结构的研究较为广泛并取得了一些成果。研究方法中试验测试方法应用较多也是研究成果得来的主要通道。科研工作者在测试试验中采用的测孔方法主要有：压汞法（MIP）[3]、等温吸附法[4]、和小角度X射线衍射法[5]，其中压汞法（MIP）虽然有学者[5]指出存在许多不足，但依然是较受欢迎和应用较多的一种方法。学者M.N.Haque和D.J.Cook[6]和Dahl.B.L[7]利用压汞法（MIP）对水泥石的微观孔隙结构在不同养护时间和不同水胶比（w/b）下进行了对比试验，他们的试验结果表明随着养护时间的增长，孔洞结构的孔隙率和临界孔径变小；并得知随着水胶比（w/b）的增大，孔隙率和临界孔径也增大。科学技术的发展，图像分析技术逐渐应用到对水泥石的孔洞范围的定量分析研究中，S.Sahu[8]等学者利用扫描电子显微镜技术（简称SEM技术）研究可靠预测经过充分水化反应的水泥浆体或混凝土所应的恰当水灰比（w/c）。学者SidneyDiamond[9]研究认为通过对背反射扫描电子显微镜技术所得的显微照片进行图解分析后所得的数据进行分析，可以得到描绘水泥浆体内部结构的一些重要信息。由国外的研究文献与国内的研究文献进行对比分析，发现国外的研究成果较为全面、较为先进，国外学者主要通过试验测试，借助数字图像技术对水泥浆体的孔洞结构进行实时观测与研究。而国内因为科研条件、科研仪器的限制，前期研究一般通过文献的综合整理分析，得出相应的研究成果。吴中伟[10]查阅有关文献分析，将混凝土中的孔进行分类，根据对硬化水泥浆体性能的影响属性与程度的不同，有以下几种：多害孔、有害孔、少害孔、无害孔，并对无害孔的孔隙率、孔隙尺寸、孔隙形状、孔隙直径级配等参数进行了界定，这一研究成果将有利于高性能混凝土的孔隙结构特性的界定提供参考。近年来，由于我国科研手段和科研仪器的改进和开发应用，国内科研人员开始借助较为先进的扫描技术对水泥浆体孔洞进行测试研究，并取得一些成果。理论研究方面，F.AMcClintock[11]、RiceJR和TraceyDM[12]等的研究成果对微观结构具有开创新研究意义，他们建立了理想刚塑形基体的理论模型，他们认为不同形状互不关联的孔洞存在于无限大的理想刚塑形基体中，分析计算了微孔洞汇合的临界塑形应变，最终提出了孔洞的体积膨胀率会随应力三轴度的增大而显著增大的结论。GursonAL[13]在分析前人研究文献成果的基础上，进一步建立了一套比较完整的本构方程，用来描述微孔洞损伤对材料塑形变形行为影响，并认为这些材料最初没有孔洞存在，微孔洞的形成过程引入对这些材料的本构关系的影响问题中。这些有关水化反应凝结硬化浆体孔结构的研究，虽然切入点和结果有所差异，但均通过不同的试验方法，对同种水泥在不同温度、水灰比条件下，或对对比不同的水泥情况下，硬化水泥浆体的微观结构特性，性质变化和变化程度结果进行分析。而McClintock.F.A[14]则是应用连续介质力学、固体本构等知识对水化反应凝结硬化浆体孔结构进行理论分析，却并没有将理论与实践结合起来，这就必然存在很3大弊端。2.3动力学特性研究普通硅酸盐水泥水化是非常复杂的一个过程，其水化动力学的研究始于上个世纪六、七十年代，R.Kondo[15]提出了硅酸三钙的水化模型；G.J.C.Frohnsdorff[16]提出利用计算机技术对硅酸三钙水化过程进行数值模拟的假设。二十世纪八十年代，J.M.Pommersheim和J.R.Clifton[17]进一步提出了硅酸三钙水化动力学数值模型，在这个模型中，假定硅酸三钙为球形颗粒，经过一段时间水化反应后，硅酸三钙颗粒由未水化原物质、内部水化产物和外部水化产物三个部分组成。此后，J.M.Pommersheim[17]进一步提出了单矿物相铝酸三钙和氟铝酸四钙的水化模型。之后一段时间里，人们对水泥水化作用的研究暂时停留在几个单矿物相的数值模型上，没有得到突破。直到TaylorH.F.M[18]全面研究分析了水泥组分中的四种主要矿物的水化模型，才打破原有的停滞不前的局面，促使众学者逐渐建立起较为完善的水泥基复合材料的细观结构模型。这些成果为日后建立起更为复杂完善的水泥基材料细观结构模型打下了坚实的基础。美国学者在这方面所做的贡献较为突出，1986年，H.M.Jennings[19]创立了连续描述法，提出将水泥颗粒概化为在球形或立方体空间单元内的随机分布的球形颗粒，并认为水泥颗粒（包括水化产物）体积随水化反应的进行而逐渐增大，并广泛应用于水泥水化连续模型上。文献[20]报道说Berlage就是在此基础上提出了模拟水泥水化的HYDRASIM（HydrationSimulation）模型，虽然该模型也是建立在单矿物相硅酸三钙的水化模型基础上，但其优势在于将水化过程中水泥颗粒之间的接触面积与材料强度联系起来了。后来荷兰科学家VanBreugel[21]等在HYDRASIM模型的基础上进一步完善开发了HYMOSTRUC(HydrationMorphologyandStructureFormation)软件系统用于模拟水泥水化反应过程，该模型考虑了水泥矿物组成、水泥粒径分布、矿物掺和料以及水灰比等参数对水泥水化过程的影响。然后，E.A.B.Koenders[22]应用HYMOSTRUC模型对水泥浆体自生收缩性能及体积改变进行了数值模拟，并建立起孔结构的数值模型且提出了独特的孔体系数值模拟方法。他的研究方法满足了热平衡原理，研究结果与实验数据基本吻合。G.Ye[23]对HYDRASIM（HydrationSimulation）模型进行了可视水泥浆体细观结构化改进，对水泥浆体中的固相、孔相细观结构进行了分析及渗透性预测，采用逐层截面法对该模型结构二维截面进行了分析，计算每层截面上固相和孔相的面积百分比，并能计算每层截面上的水化程度和固相及孔结构的连通性。该模型经过逐步完善可用于模拟水泥基材料因水化引起的变形问题和预测水泥浆体渗透性能。二十世纪九十年代，由于计算技术的迅速发展，水泥基材料的计算模拟也飞跃发展，研究在某些方面得到了突破，FauconP[24]提出了集成粒子动力学的连续基硅酸三钙水化模型，该模型也考虑了水泥粒径分布以及非活性矿物掺和料掺量对水泥水化反应速率的影响，然而，该模型的缺陷在于它没有全面考虑到养护条件等参数对水泥水化反应的影响，也忽视了硅酸三钙粒子间的交互作用对水泥水化反应过程的影响。普通硅酸盐水泥水化是个放热的过程，在该方面前期很多科研工作者都忽视了，故他们的研究成果必然存在缺陷。首先考虑这一问题的是学者TomosewaF[25]，他采用有限元法分析了高强度混凝土的温度场分布。SwaddiwudhipongS[26]在综合KishiT[27]的多元模型和ParrorLJ[28]的水化模型的基础上，提出了多尺度水化模型。4学者们普遍认为水泥石的强度与水泥水化反应进行的程度相关，水化反应进行越充分，则水泥石的强度越大，固考虑水泥水化反应程度的水化模型也就开始有所探究，但因难道太大（动态模拟），成熟的模型目前还是缺乏。3.今后努力的方向随着历史的发展，社会的进步，财富的增多，经济实力的增强,科技的发展,人们对生活向往欲望的提升，质量要求的提高。基础建设的步伐将不断加大，建筑材料的开发利用将达到空前盛世状态。混凝土（人工石）将在不久的将来，依旧占据建材市场的主导地位，高性能、轻质高强混凝土的研发将加大力度，高性能水泥、复合水泥、环保水泥等特性水泥将层出不穷。对于水泥水化反应将进一步深入和广泛。该方面的研究将由单一的物理、化学或力学性能方面的研究扩宽到物理-化学-力学耦合作用性能方面，研究越来越抛弃前面研究的片面性和局限性，逐步向全面性和整体性研究深入和发展；由宏观逐步转向微观，且不断微观化、细微化、纳米化、微纳米化，也就说研究的尺寸会越来越细，越来越微观。数值模拟和物理实验将进一步密切结合，模型将越来越复杂化，越来越考虑多因素化；研究的环境影响因素会越来越多，考虑得将越来越细致和全面及非孤立而耦合化。并将额随着科技的发展，成像技术、计算技术、实验技术和实验设备仪器的进步而突飞猛进。参考文献[1]A.Dragon,ZenonMroz.Acontinuummodelforplastic-brittlebehaviourofrockandconcrete[J].Int.J.Engin.Sci.