水泥基材料微觀結構仿真模型研究的發展分析

吳利華，蘇 琴，范 克

（南京市水利規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京210006）

水泥基材料微觀結構仿真模型研究的發展分析

吳利華，蘇 琴，范 克

（南京市水利規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京210006）

為實現水泥基材料水化后的微觀模擬，闡述近年來水泥基材料硬化中微觀結構仿真模型的研究現狀，綜合對比連續系統模型Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC及數字圖像系統模型CEMHYD3D的特征及優缺點。限于各模型在模擬水化過程的全面性中均存在難度，根據研究目的和條件選取合理的模型。以期對預測工程實踐中的材料性能具有指導意義。

水泥基材料;微觀結構;模型研究;對比

0　引言

水泥基材料作為基本建設的重要原材料之一，已廣泛應用于各類型工程建設中。在了解水泥水化機理的前提下，如何實現水泥基材料微觀結構的仿真模擬，從而控制調節其結構發展以滿足實際工程的需要，是當今諸多學者關注的問題。水泥基材料硬化后微觀結構的模擬是以膠凝材料的水化模型為基礎的，所以各種數值模型都是以模擬水泥顆粒或者水泥礦物相在水化之前的空間分布狀態與其水化過程為出發點。在過去四十多年里，從水泥水化模型的設想開始，國內外發展了若干基于計算機的水泥基材料微觀結構演化仿真以及預測其力學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，可分為連續系統模型和數字圖像系統模型。連續系統模型有Navi模型、DuCOM模型、HYMOSTRUC模型等，數字圖像系統模型以CEMHYD3D為代表。

1　水泥水化機理

水化是一種復雜的溶解－沉淀的過程，各種水化反應是以不同的速率同時進行的，而且彼此有影響，無水相的溶解有可能形成一種溶解度比無水熟料礦物更低的化合物，從而導致膠體的和結晶的水化物的沉淀，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，立即發生一系列的物理、化學變化，產生不同性狀的水化產物。水泥的水化過程中，始終伴隨著水泥組分的溶解與水化產物的生成，這些水化產物相互制約著生長與發育，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的進程，最終使水泥漿體形成具有一定結構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間變化曲線來研究水泥的水化過程，可將常溫下水泥的水化過程簡要的概括為三個階段，即：鈣礬石形成階段、C3S水化階段、結構的形成與發展階段[1]。

圖1　水泥水化放熱曲線

2　水泥水化微觀結構模型

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

荷蘭代爾夫特理工大學vanBreugel教授領導的混凝土結構研究組開發的HYMOSTRUC（HYdration MOrphology and STRUCture formation）[2]軟件系統是在HYDRASIM模型的基礎上進一步完善而成的。HYMOSTRUC軟件系統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，養護溫度等技術參數對水化過程的影響，是連續基模型中最為系統和全面的水泥水化模型。后經Koenders[3]、Lokhorst[4]和Ye[5]對該系統的完善，該模型可以模擬水泥基材料因水化引起的變形問題，可以預測硬化水泥漿體的滲透性能。這些研究都基于HYMOSTRUC模型對于水化過程和微觀結構發展的仿真，同時又進一步拓展了原始程序，涉及到漿體中顆粒的空間分布，熱力學原理和水化水泥顆粒之間的計算等。

隨著計算機技術的飛躍，水泥基材料的計算機模擬技術也產生了許多分支，如Navi模型、DuCOM模型等。根據HYMOSTRUC模型，Navi[6]提出了集成粒子動力學的連續基C3S水化模型，該模型與HYMOSTRUC模型類似，也考慮了水泥粒徑分布以及非活性礦物摻合料摻量對水化速度的影響，但是該模型的特點在于采用了數學形貌學方法研究了硬化水泥漿體中固體相和孔相的連通性。但該模型沒有全面考慮養護條件等技術參數的影響，另外也沒有提到C3S粒子間的交互作用對水化過程的影響。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]強調了不同機理和過程的相互作用，認為在水化作用的早期階段應給予考慮，因此在高級的微觀結構模型中也應該考慮到。在20世紀90年代末，Maekawa開發了 DuCOM （Durability of Concrete Model）有限元軟件系統，該軟件的主要目的是解決模擬混凝土的耐久性問題，因而將水泥顆粒假設為在參考單元中隨機分布的等徑C3S球形顆粒。從微觀結構演化的模擬角度而言，這一假設過于簡化，因此不能夠實際地模擬水泥水化這一復雜的物理化學過程。

總而言之，上述的這些連續基模型雖然側重點不同，但都是以水泥顆粒在參考單元中的隨機分布為出發點，因而沒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年美國國家標準技術研究所（NIST）的Bentz[9]提出的基于數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字圖像，以代表水泥不同礦物相的像素為基礎，所以被稱為數字圖像基模型。連續基模型以球形水泥顆粒在參考單元中的空間分布為出發點，而數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點。該模型經過過去20多年的不斷完善，現在可以研究水化過程中固體相和孔相的連通問題，可以模擬水灰比，水泥粒度分布，活性摻合料細度及其摻量對水化速度的影響，可以預測不同水化條件下水泥的力學性能和滲透率以及離子擴散率等。

4　各模型特征對比及分析

基于上述微觀模型，結合后續研究[5]，分別對CEMHYD3D、Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC模型的特征及優缺點進行綜合對比，見表1。

表1　四種微觀結構模型的主要特征對比

通過對比，分析得出從顆粒尺寸分布來看，HYMOSTRUC范圍無限制，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。從水泥種類及混合物比例來看，Navi模型均未考慮。從動力學角度，CEMHYD3D模型未考慮。從養護條件來看，Navi模型存在不足。從上述對比中可以看出，以現在的模型來模擬實際孔隙結構，尚需不斷完善及優化。

基于以上特征，綜合其利弊，可以看出CEMHYD3D模型在結構組成及分布上更接近于實際結構，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題；Navi模型、DuCOM過為簡單，與實際結構存在較大差距；HYMOSTRUC模型在考慮水化過程中的影響因素方面具有優勢，但其隨機分布的缺點是無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，同時很難使三維結構中的固體粒子達到較高的堆積密度。在未來研究中，可以結合研究目的和自身條件，選取最合理的模型。

4　結論

通過上述對水泥基材料微觀結構仿真模型研究的論述和分析,可以得出以下結論:

（1）連續基模型自身的隨機分布方法需不斷完善和優化，SPACE系統雖然實現了動態密實的模擬，但以HYMOSTRUC為代表的連續基模型還需完善C3A，石膏及其它微量元素的影響。

（2）CEMHYD3D數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字圖像，使得模型能更好地再現真實水化情況。未來的研究中，可基于試驗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）目前現有的各種水泥基材料微觀結構仿真模型都無法全面的模擬真實的水化過程，在科學研究之中可結合研究目的和研究條件，選取最合理的模型以指導實踐。

歷經40多年，國外在硬化中水泥基材料微觀結構仿真研究方面已取得一定的成果，對工程實踐中的材料性能預測具有指導意義。我國起步相對較晚，但也已經開展相應的研究[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建等方面的研究。由于水泥基材料的水化過程是一個較為復雜的物理——化學過程，還有很多影響因素尚未考慮，如水化溫度、凝固時間、環境條件等，因此這一領域還需不斷深入及探索。

[1]P.BARNES.吳兆琦等譯.水泥的結構和性能[M].中國建筑工業出版社,1991年.

[2]K.van Breugel.Simulation of Hydration and Formation of Structure in Hardening Cement-Based Materials[D].The Netherlands:Delft University of Technology,1991.

[3]E.A.B.Koenders.Simulation of Volume Changes in Hardening Cement-Based Materials[D].The Netherlands:Delft University of Technology,1997.

[4]Sande J.Lokhorst.Deformational Behavior of Concrete Influenced by Hydration Related Changes of the Microstructure[D].The Netherlands:Delft University of Technology,1999.

[5]YE Guang.Experimental Study and Numerical Simulation of the DevelopmentoftheMicrostructureandPermeabilityof Cementitious Materials[D].The Netherlands:Delft University of Technology,2003.

[6]Parviz Navi,Christian Pignat.Three-dimensional characterization of the pore structure of a simulated cement paste[J].Cement and Concrete Research,1999(29):507-514.

[7]Kishi.T,Maokawa,K.Multi-componentmodelforheatof hydrationing of blended cement with blast furnace slag and fly ash [J].Concrete Library of JSCE,1997(30):125-139.

[8]Chaube,R.P.and Maekawa,K.Coupled moisture transport, structureformationandhydrationincementitiousmaterials, Proceedings of the JCI,1995,17(1):639-644.

[9]Bentz,D.P.Three-Dimensional Computer Simulation of Portland Cement Hydration and Microstructure Development.Journal of the American Ceramic Society.1997,80(1):3-21.

[10]李庚英等.碳納米管水泥基復合材料的力學性能和微觀結構[J].硅酸鹽學報，2005,33（1）：105-108.

[11]閻培渝，鄭峰.水泥基材料的水化動力學模型[J].硅酸鹽學報，2006,34（5）：555-559.

[12]馮竟竟等.高溫對水泥基材料微觀結構的影響[J].建筑材料學報，2009,12（3）：318-322.

[13]侯汶杉.基于VTK和隨機序列吸附的水泥微觀結構構建[D].濟南：濟南大學,2011.

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計工作。