試論膨脹水泥膨脹過程假說

由于水泥水化產(chǎn)物的密度總是小于反應(yīng)物，因此按照計(jì)算，無論是膨脹水泥還是硅酸鹽水泥，水泥+水系統(tǒng)的體積總是減縮的，但固相體積卻是增大的，如表1所列的含鋁相形成AFt后的容積變化率和固相體積增加率，以及氧化鈣和氧化鎂水化前后的體積變化率，還有硅酸鹽水泥中的主要礦物C3S和C2S，水化形成C-S-H凝膠時(shí)，固相體積也分別增加90.12%和95.85%。但是，為什么膨脹水泥在凝結(jié)硬化后會(huì)發(fā)生有別與普通水泥的顯著的體積膨脹呢？膨脹的過程是怎樣的？膨脹的實(shí)質(zhì)是什么呢？影響膨脹有哪些因素？

目前常見的膨脹源是鈣礬石、氫氧化鈣和氫氧化鎂。雖然不同學(xué)者對于膨脹機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚存差異，但是對于鈣礬石、氫氧化鈣和氫氧化鎂是膨脹的根本原因則無異議。一般認(rèn)為，膨脹能的大小與膨脹源的形態(tài)、形成時(shí)間、數(shù)量及限制條件有關(guān)；其膨脹特性也與膨脹源的形態(tài)及同時(shí)形成的凝膠相的形成特點(diǎn)、時(shí)間、形態(tài)以及膨脹相與凝膠相的晶膠比有關(guān)，通俗地說，就是膨脹與強(qiáng)度的協(xié)調(diào)關(guān)系，這是膨脹的一般規(guī)律。

1以往的膨脹過程假說

有關(guān)膨脹過程的描述，目前尚屬假設(shè)。比較流行的是Aroni基于鈣礬石膨脹現(xiàn)象提出的循環(huán)膨脹過程的假說。該假說認(rèn)為，鈣礬石形成過程中的固相體積增加導(dǎo)致的結(jié)晶壓力引起表觀體積膨脹。與此同時(shí)，膨脹會(huì)使水泥石內(nèi)部已經(jīng)形成的接點(diǎn)斷裂破壞，產(chǎn)生新的裂縫，降低強(qiáng)度。繼續(xù)吸水，新的裂縫被增生的鈣礬石和凝膠填充，增加了新的接點(diǎn)，此時(shí)表觀體積不膨脹，但增加了強(qiáng)度。如此循環(huán)進(jìn)行下去，直到鈣礬石停止生成為止。支持者認(rèn)為，該假說能夠解釋膨脹和強(qiáng)度之間的矛盾，以及自愈、強(qiáng)度和抗?jié)B能力的再次恢復(fù)等現(xiàn)象。吳中偉院士認(rèn)為，該假說還應(yīng)補(bǔ)充以下兩點(diǎn)：

膨脹水泥石中其他水化產(chǎn)物，尤其是數(shù)量較大的凝膠相的作用，這些“微介質(zhì)”的生長，既填充裂縫，又增加接點(diǎn)間的粘結(jié)力，對提高強(qiáng)度起著重要作用；

由于不同部位有著不同的限制程度以及其他條件，因此膨脹和強(qiáng)度的發(fā)展并不呈階梯形式。整體來講，隨著水化程度的增加，基本上保持著總的增長趨勢。

另外，Qgewa和Roy于1982年研究K型膨脹水泥的水化時(shí)，把膨脹從開始到結(jié)束的過程描述為五個(gè)時(shí)期：

無水硫鋁酸鈣水化早期，在粒子周圍生成很小的形貌和排列不規(guī)則的鈣礬石；

隨后，AFt轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罱Y(jié)晶，圍繞在未水化部分的周圍，排列成向外放射的取向性較好的AFt；

AFt增生，在各個(gè)未水化物粒子周圍擴(kuò)大到相鄰粒子周圍，互相接觸，此時(shí)體積還未開始膨脹；

繼續(xù)增生，接觸部分增加，結(jié)晶壓力引起體積膨脹；

繼續(xù)增生，直到填滿各粒子之間的空間，膨脹停止，但體系中仍有孔存在。

他們提出表2的示意圖來說明其觀點(diǎn)。

筆者認(rèn)為，Aroni的假說將連續(xù)的水化反應(yīng)分割成間斷的階梯形式，與我們看到的一些膨脹現(xiàn)象有差異，如在一些膨脹水泥的膨脹過程中，強(qiáng)度并沒有降低，而是與膨脹一樣持續(xù)增長，并最終趨于穩(wěn)定；另外，用循環(huán)膨脹過程假說解釋膨脹和強(qiáng)度之間的矛盾，以及自愈、強(qiáng)度和抗?jié)B能力的再次恢復(fù)等現(xiàn)象也比較牽強(qiáng)，因?yàn)樵谄胀ㄋ嘀校捎跐衩浐统掷m(xù)水化，也會(huì)發(fā)生自愈等現(xiàn)象。Qgewa和Roy從無水硫鋁酸鈣礦物單獨(dú)水化解釋膨脹過程，忽略了膨脹水泥石中其他的水化產(chǎn)物，尤其是大量的凝膠體，只是描述了K型水泥中AFt的生長過程，以此來解釋復(fù)雜的膨脹過程似有偏頗。再者，如CaO或MgO的膨脹，其在水泥混凝土中產(chǎn)生的膨脹和干燥收縮現(xiàn)象也與AFt膨脹大致相同，顯然無法用同樣的假說解釋。

如果我們撇開膨脹水泥中膨脹源種類及其形成的方式，抓住膨脹和強(qiáng)度兩個(gè)主要組分的水化行為特征，則可以把膨脹過程描述為：膨脹組分和強(qiáng)度組分始終是連續(xù)、同步進(jìn)行著水化反應(yīng)，直至其中一個(gè)組分消耗完畢；膨脹的大小和膨脹速率主要取決于膨脹組分的數(shù)量以及膨脹水化產(chǎn)物和強(qiáng)度水化產(chǎn)物的反應(yīng)速率差。該假說包含以下內(nèi)容：