吳利華，蘇 琴，范 克

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210006）

水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)仿真模型研究的發(fā)展分析

吳利華，蘇 琴，范 克

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210006）

為實(shí)現(xiàn)水泥基材料水化后的微觀模擬，闡述近年來(lái)水泥基材料硬化中微觀結(jié)構(gòu)仿真模型的研究現(xiàn)狀，綜合對(duì)比連續(xù)系統(tǒng)模型Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC及數(shù)字圖像系統(tǒng)模型CEMHYD3D的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。限于各模型在模擬水化過(guò)程的全面性中均存在難度，根據(jù)研究目的和條件選取合理的模型。以期對(duì)預(yù)測(cè)工程實(shí)踐中的材料性能具有指導(dǎo)意義。

水泥基材料;微觀結(jié)構(gòu);模型研究;對(duì)比

0　引言

水泥基材料作為基本建設(shè)的重要原材料之一，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型工程建設(shè)中。在了解水泥水化機(jī)理的前提下，如何實(shí)現(xiàn)水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)的仿真模擬，從而控制調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)發(fā)展以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，是當(dāng)今諸多學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題。水泥基材料硬化后微觀結(jié)構(gòu)的模擬是以膠凝材料的水化模型為基礎(chǔ)的，所以各種數(shù)值模型都是以模擬水泥顆?；蛘咚嗟V物相在水化之前的空間分布狀態(tài)與其水化過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)。在過(guò)去四十多年里，從水泥水化模型的設(shè)想開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了若干基于計(jì)算機(jī)的水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)演化仿真以及預(yù)測(cè)其力學(xué)特性的水泥水化模型。

目前，按照水泥顆粒及空間分布的模擬方法，可分為連續(xù)系統(tǒng)模型和數(shù)字圖像系統(tǒng)模型。連續(xù)系統(tǒng)模型有Navi模型、DuCOM模型、HYMOSTRUC模型等，數(shù)字圖像系統(tǒng)模型以CEMHYD3D為代表。

1　水泥水化機(jī)理

水化是一種復(fù)雜的溶解－沉淀的過(guò)程，各種水化反應(yīng)是以不同的速率同時(shí)進(jìn)行的，而且彼此有影響，無(wú)水相的溶解有可能形成一種溶解度比無(wú)水熟料礦物更低的化合物，從而導(dǎo)致膠體的和結(jié)晶的水化物的沉淀，最終成為硬化的漿體。水泥熟料是一種不平衡的多組分固溶體，由于組成的四種主要化合物（C3S、C2S、C3A、C4AF）具有不同的水化活性，因此，水泥與水混合后，立即發(fā)生一系列的物理、化學(xué)變化，產(chǎn)生不同性狀的水化產(chǎn)物。水泥的水化過(guò)程中，始終伴隨著水泥組分的溶解與水化產(chǎn)物的生成，這些水化產(chǎn)物相互制約著生長(zhǎng)與發(fā)育，并在特定條件下形成不同的凝膠或晶體，加速或抑制水化反應(yīng)的進(jìn)程，最終使水泥漿體形成具有一定結(jié)構(gòu)支撐能力的硬化體系——水泥。

如圖1所示,一般用水化的放熱速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)來(lái)研究水泥的水化過(guò)程，可將常溫下水泥的水化過(guò)程簡(jiǎn)要的概括為三個(gè)階段，即：鈣礬石形成階段、C3S水化階段、結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展階段[1]。

圖1　水泥水化放熱曲線(xiàn)

2　水泥水化微觀結(jié)構(gòu)模型

在20世紀(jì)90年代左右，水泥基微觀模型研究取得了一定的進(jìn)展，并提出了HYMOSTRUC和CEMHYD3D為代表的連續(xù)基模型及數(shù)字圖像模型兩種不同的模擬方法。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)vanBreugel教授領(lǐng)導(dǎo)的混凝土結(jié)構(gòu)研究組開(kāi)發(fā)的HYMOSTRUC（HYdration MOrphology and STRUCture formation）[2]軟件系統(tǒng)是在HYDRASIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善而成的。HYMOSTRUC軟件系統(tǒng)考慮了水泥礦物組成，水泥粒度分布，礦物摻合料以及水灰比，養(yǎng)護(hù)溫度等技術(shù)參數(shù)對(duì)水化過(guò)程的影響，是連續(xù)基模型中最為系統(tǒng)和全面的水泥水化模型。后經(jīng)Koenders[3]、Lokhorst[4]和Ye[5]對(duì)該系統(tǒng)的完善，該模型可以模擬水泥基材料因水化引起的變形問(wèn)題，可以預(yù)測(cè)硬化水泥漿體的滲透性能。這些研究都基于HYMOSTRUC模型對(duì)于水化過(guò)程和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的仿真，同時(shí)又進(jìn)一步拓展了原始程序，涉及到漿體中顆粒的空間分布，熱力學(xué)原理和水化水泥顆粒之間的計(jì)算等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍，水泥基材料的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也產(chǎn)生了許多分支，如Navi模型、DuCOM模型等。根據(jù)HYMOSTRUC模型，Navi[6]提出了集成粒子動(dòng)力學(xué)的連續(xù)基C3S水化模型，該模型與HYMOSTRUC模型類(lèi)似，也考慮了水泥粒徑分布以及非活性礦物摻合料摻量對(duì)水化速度的影響，但是該模型的特點(diǎn)在于采用了數(shù)學(xué)形貌學(xué)方法研究了硬化水泥漿體中固體相和孔相的連通性。但該模型沒(méi)有全面考慮養(yǎng)護(hù)條件等技術(shù)參數(shù)的影響，另外也沒(méi)有提到C3S粒子間的交互作用對(duì)水化過(guò)程的影響。在1994年日本的Kishi[7]提出了混合水泥的水化模型。隨后Maekawa等人[8]強(qiáng)調(diào)了不同機(jī)理和過(guò)程的相互作用，認(rèn)為在水化作用的早期階段應(yīng)給予考慮，因此在高級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)模型中也應(yīng)該考慮到。在20世紀(jì)90年代末，Maekawa開(kāi)發(fā)了 DuCOM （Durability of Concrete Model）有限元軟件系統(tǒng)，該軟件的主要目的是解決模擬混凝土的耐久性問(wèn)題，因而將水泥顆粒假設(shè)為在參考單元中隨機(jī)分布的等徑C3S球形顆粒。從微觀結(jié)構(gòu)演化的模擬角度而言，這一假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)化，因此不能夠?qū)嶋H地模擬水泥水化這一復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。

總而言之，上述的這些連續(xù)基模型雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但都是以水泥顆粒在參考單元中的隨機(jī)分布為出發(fā)點(diǎn)，因而沒(méi)有考慮到水泥顆粒的本征聚集以及顆粒間的交互作用。

此外,1989年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的Bentz[9]提出的基于數(shù)字圖像處理的水泥水化模型CEMHYD3D。該模型的模擬程序始于背散射掃描電鏡獲得的水泥礦物分布的數(shù)字圖像，以代表水泥不同礦物相的像素為基礎(chǔ)，所以被稱(chēng)為數(shù)字圖像基模型。連續(xù)基模型以球形水泥顆粒在參考單元中的空間分布為出發(fā)點(diǎn)，而數(shù)字圖像基模型以代表水泥礦物各相的像素的空間分布為出發(fā)點(diǎn)。該模型經(jīng)過(guò)過(guò)去20多年的不斷完善，現(xiàn)在可以研究水化過(guò)程中固體相和孔相的連通問(wèn)題，可以模擬水灰比，水泥粒度分布，活性摻合料細(xì)度及其摻量對(duì)水化速度的影響，可以預(yù)測(cè)不同水化條件下水泥的力學(xué)性能和滲透率以及離子擴(kuò)散率等。

4　各模型特征對(duì)比及分析

基于上述微觀模型，結(jié)合后續(xù)研究[5]，分別對(duì)CEMHYD3D、Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC模型的特征及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1　四種微觀結(jié)構(gòu)模型的主要特征對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，分析得出從顆粒尺寸分布來(lái)看，HYMOSTRUC范圍無(wú)限制，而DuCOM僅能模擬單尺寸顆粒。從水泥組成角度看，Navi模型、DuCOM僅模擬單相C3S模型，而CEMHYD3D模型最為全面。從水泥種類(lèi)及混合物比例來(lái)看，Navi模型均未考慮。從動(dòng)力學(xué)角度，CEMHYD3D模型未考慮。從養(yǎng)護(hù)條件來(lái)看，Navi模型存在不足。從上述對(duì)比中可以看出，以現(xiàn)在的模型來(lái)模擬實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu)，尚需不斷完善及優(yōu)化。

基于以上特征，綜合其利弊，可以看出CEMHYD3D模型在結(jié)構(gòu)組成及分布上更接近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮較為全面，但模擬水泥漿的極其早期的行為和量化孔隙的方式存在問(wèn)題；Navi模型、DuCOM過(guò)為簡(jiǎn)單，與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在較大差距；HYMOSTRUC模型在考慮水化過(guò)程中的影響因素方面具有優(yōu)勢(shì)，但其隨機(jī)分布的缺點(diǎn)是無(wú)法考慮水泥顆粒粒子間的交互作用，并且完全忽略了水泥顆粒本征的聚集效應(yīng)，同時(shí)很難使三維結(jié)構(gòu)中的固體粒子達(dá)到較高的堆積密度。在未來(lái)研究中，可以結(jié)合研究目的和自身?xiàng)l件，選取最合理的模型。

4　結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)仿真模型研究的論述和分析,可以得出以下結(jié)論:

（1）連續(xù)基模型自身的隨機(jī)分布方法需不斷完善和優(yōu)化，SPACE系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)密實(shí)的模擬，但以HYMOSTRUC為代表的連續(xù)基模型還需完善C3A，石膏及其它微量元素的影響。

（2）CEMHYD3D數(shù)字圖像模型始于背散射掃描電鏡獲得的水泥礦物分布的數(shù)字圖像，使得模型能更好地再現(xiàn)真實(shí)水化情況。未來(lái)的研究中，可基于試驗(yàn)研究完善其在模擬水泥漿早期特性和量化孔隙方面的不足。

（3）目前現(xiàn)有的各種水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)仿真模型都無(wú)法全面的模擬真實(shí)的水化過(guò)程，在科學(xué)研究之中可結(jié)合研究目的和研究條件，選取最合理的模型以指導(dǎo)實(shí)踐。

歷經(jīng)40多年，國(guó)外在硬化中水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)仿真研究方面已取得一定的成果，對(duì)工程實(shí)踐中的材料性能預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。我國(guó)起步相對(duì)較晚，但也已經(jīng)開(kāi)展相應(yīng)的研究[10]～[13]，目前主要集中于水泥基微觀材料的影響因素以及微觀模型構(gòu)建等方面的研究。由于水泥基材料的水化過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的物理——化學(xué)過(guò)程，還有很多影響因素尚未考慮，如水化溫度、凝固時(shí)間、環(huán)境條件等，因此這一領(lǐng)域還需不斷深入及探索。

[1]P.BARNES.吳兆琦等譯.水泥的結(jié)構(gòu)和性能[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1991年.

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TU502

A

1009-7716（2016）02-0185-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.051

2015-10-23

吳利華（1984-），女，安徽合肥人，碩士研究生，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。