试论膨胀水泥膨胀过程假说

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  由于水泥水化产物的密度总是小于反应物，因此按照计算，无论是膨胀水泥还是硅酸盐水泥，水泥+水系统的体积总是减缩的，但固相体积却是增大的，如表1所列的含铝相形成AFt后的容积变化率和固相体积增加率，以及氧化钙和氧化镁水化前后的体积变化率，还有硅酸盐水泥中的主要矿物C3S和C2S，水化形成C-S-H凝胶时，固相体积也分别增加90.12%和95.85%。但是，为什么膨胀水泥在凝结硬化后会发生有别与普通水泥的显著的体积膨胀呢？膨胀的过程是怎样的？膨胀的实质是什么呢？影响膨胀有哪些因素？

  目前常见的膨胀源是钙矾石、氢氧化钙和氢氧化镁。虽然不同学者对于膨胀机理的认识尚存差异，但是对于钙矾石、氢氧化钙和氢氧化镁是膨胀的根本原因则无异议。一般认为，膨胀能的大小与膨胀源的形态、形成时间、数量及限制条件有关；其膨胀特性也与膨胀源的形态及同时形成的凝胶相的形成特点、时间、形态以及膨胀相与凝胶相的晶胶比有关，通俗地说，就是膨胀与强度的协调关系，这是膨胀的一般规律。

  1以往的膨胀过程假说

  有关膨胀过程的描述，目前尚属假设。比较流行的是Aroni基于钙矾石膨胀现象提出的循环膨胀过程的假说。该假说认为，钙矾石形成过程中的固相体积增加导致的结晶压力引起表观体积膨胀。与此同时，膨胀会使水泥石内部已经形成的接点断裂破坏，产生新的裂缝，降低强度。继续吸水，新的裂缝被增生的钙矾石和凝胶填充，增加了新的接点，此时表观体积不膨胀，但增加了强度。如此循环进行下去，直到钙矾石停止生成为止。支持者认为，该假说能够解释膨胀和强度之间的矛盾，以及自愈、强度和抗渗能力的再次恢复等现象。吴中伟院士认为，该假说还应补充以下两点：

  膨胀水泥石中其他水化产物，尤其是数量较大的凝胶相的作用，这些“微介质”的生长，既填充裂缝，又增加接点间的粘结力，对提高强度起着重要作用；

  由于不同部位有着不同的限制程度以及其他条件，因此膨胀和强度的发展并不呈阶梯形式。整体来讲，随着水化程度的增加，基本上保持着总的增长趋势。

  另外，Qgewa和Roy于1982年研究K型膨胀水泥的水化时，把膨胀从开始到结束的过程描述为五个时期：

  无水硫铝酸钙水化早期，在粒子周围生成很小的形貌和排列不规则的钙矾石；

  随后，AFt转变为针状结晶，围绕在未水化部分的周围，排列成向外放射的取向性较好的AFt；

  AFt增生，在各个未水化物粒子周围扩大到相邻粒子周围，互相接触，此时体积还未开始膨胀；

  继续增生，接触部分增加，结晶压力引起体积膨胀；

  继续增生，直到填满各粒子之间的空间，膨胀停止，但体系中仍有孔存在。

  他们提出表2的示意图来说明其观点。

  笔者认为，Aroni的假说将连续的水化反应分割成间断的阶梯形式，与我们看到的一些膨胀现象有差异，如在一些膨胀水泥的膨胀过程中，强度并没有降低，而是与膨胀一样持续增长，并最终趋于稳定；另外，用循环膨胀过程假说解释膨胀和强度之间的矛盾，以及自愈、强度和抗渗能力的再次恢复等现象也比较牵强，因为在普通水泥中，由于湿胀和持续水化，也会发生自愈等现象。Qgewa和Roy从无水硫铝酸钙矿物单独水化解释膨胀过程，忽略了膨胀水泥石中其他的水化产物，尤其是大量的凝胶体，只是描述了K型水泥中AFt的生长过程，以此来解释复杂的膨胀过程似有偏颇。再者，如CaO或MgO的膨胀，其在水泥混凝土中产生的膨胀和干燥收缩现象也与AFt膨胀大致相同，显然无法用同样的假说解释。

  如果我们撇开膨胀水泥中膨胀源种类及其形成的方式，抓住膨胀和强度两个主要组分的水化行为特征，则可以把膨胀过程描述为：膨胀组分和强度组分始终是连续、同步进行着水化反应，直至其中一个组分消耗完毕；膨胀的大小和膨胀速率主要取决于膨胀组分的数量以及膨胀水化产物和强度水化产物的反应速率差。该假说包含以下内容：