水泥的水化模型

为了更好地预测混凝土的性能,建立一个水泥浆体模型来分析水泥浆体的各方面性能非常必要。目前主要有两种模型:Powers-Brunauer模型和Feldman-Sereka模型。

Powers-Brunauer模型认为水泥浆体是层状的劣结晶态凝胶,凝胶的比表面积为180m2/g,且孔隙率不低于28%,假定只有水分子能够进入凝胶孔,则渗入孔的水分子直径必须小于0.4nm。任何未被水泥凝胶充填的空间均叫做毛细孔。使用这种模型可以分析凝胶的力学性能。

范德瓦耳斯力的作用将颗粒黏结在一起(图2-10)。颗粒遇水后,存在于颗粒之间的水分子将颗粒分散,引起体积膨胀。当施加压力时,在压力的作用下,颗粒间的水被挤出,发生徐变[图2-10(c)],这种模型考虑了颗粒之间的化学键[图2-10(b)]以及颗粒的层状结构[图2-10(d)]。


Feldman-Sereka模型则认为凝胶是结晶差的层状硅酸盐,水的作用比Powers-Brunauer模型更为繁杂(图2-11)。

水和D-干燥状态下凝胶的接触形式有4种:

①水与自由表面相互接触,形成氢键;
②水物理吸附在凝胶的表面;
③水进入塌塌的层状结构内部,即使是湿度低于10%RH也是如此;
④当湿度较高时,由于毛细孔收缩,大孔被水填充。

进入内层空间的水作为固体结构的一部分,组织比普通水更具有规律,增加了整个系统的刚度。当湿度低于10%RH时,大部分水从结构中渗出,只有较少部分的结构水必须在更高的湿度条件下才能渗出。因此,结构水并不是孔隙水,Powers-Brunauer模型中的凝胶孔应作为内部空间加以考虑。Feldman-Sereka模型中并不存在着凝胶孔,在计算总孔隙率时不考虑内层空间,但如果水能够渗入内层空间,则应将这部分内层空间作为孔隙考虑。渗入液体包括甲醇、液态氮、室温下的氨。

通过氮或者甲醇测得凝胶表面积在1~150m2/g之间变动,原因在于试验方法的不同以及不同的干燥方法。将Feldman-Sereka(0~100%RH)模型进一步修正后,可用来说明凝胶的不稳定性质和其对混凝土的力学性质的影响。凝胶的强度主要来源于范德瓦耳斯力、硅氧烷(-Si-O-Si-)氢键和硅钙的结合力(-Si-O-Ca-O-Si-)。

膨胀或润湿并不是由于集料的分离或者键的破坏作用发生的,而是由下面几个因素作用产生的:

①固体表面和水分子的物理作用(即Bangham效应),使固体表面能降低;
②层间的水分子渗透和分离作用;
③毛细孔收缩而引起的弯月面效应;
④老化效应,通常认为是各层进一步凝聚形成畸结晶层,导致表面积减小,固体体积增大,产生收缩。

润湿状态下,任何湿度条件都会发生内层渗透。但当湿度超过20%RH时,老化效应处于主导地位,尤其当湿度在35%~80%RH时,有弯月面效应存在的地方,层间渗透都是由老化效应产生的。当湿度增加时水分子加剧收缩,硅氧烷结合力破坏,应力下降,水泥凝胶的抗压强度降低。

徐变是老化的明显征兆,例如应力和层间水使得分层进一步加剧,凝胶分层加剧导致总能量下降,在此过程中表面积降低。

长期以来,水泥科学工作者都希望建立计算机模型来分析水泥基材料的微观结构、水化反应和强度发展过程。NIST的Bentz用计算机模型来分析水泥基材料的微观结构和性能,能够定量地预测材料的结构和性能。计算机模型用数学语言给出了材料各相的含量和空间分布,从而进行研究和预测材料的性能。与此同时,界面过渡区模型也应运而生,但这些模型均以混凝土性能取决于C-S-H凝胶和粗集料的微观结构为基础理论前提。

应当注意,当材料发生流变、徐变、收缩和开裂时,对材料进行微观分析也是相当重要的。


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