試論膨脹水泥膨脹過程假說

由于水泥水化產物的密度總是小于反應物，因此按照計算，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，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硬化后會發(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？膨脹的實質是什么呢？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。雖然不同學者對于膨脹機理的認識尚存差異，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。一般認為，膨脹能的大小與膨脹源的形態(tài)、形成時間、數(shù)量及限制條件有關；其膨脹特性也與膨脹源的形態(tài)及同時形成的凝膠相的形成特點、時間、形態(tài)以及膨脹相與凝膠相的晶膠比有關，通俗地說，就是膨脹與強度的協(xié)調關系，這是膨脹的一般規(guī)律。

1以往的膨脹過程假說

有關膨脹過程的描述，目前尚屬假設。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。該假說認為，鈣礬石形成過程中的固相體積增加導致的結晶壓力引起表觀體積膨脹。與此同時，膨脹會使水泥石內部已經(jīng)形成的接點斷裂破壞，產生新的裂縫，降低強度。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，此時表觀體積不膨脹，但增加了強度。如此循環(huán)進行下去，直到鈣礬石停止生成為止。支持者認為，該假說能夠解釋膨脹和強度之間的矛盾，以及自愈、強度和抗?jié)B能力的再次恢復等現(xiàn)象。吳中偉院士認為，該假說還應補充以下兩點：

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

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，把膨脹從開始到結束的過程描述為五個時期：

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轉變?yōu)獒槧罱Y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，在各個未水化物粒子周圍擴大到相鄰粒子周圍，互相接觸，此時體積還未開始膨脹；

繼續(xù)增生，接觸部分增加，結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。

筆者認為，Aroni的假說將連續(xù)的水化反應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度之間的矛盾，以及自愈、強度和抗?jié)B能力的再次恢復等現(xiàn)象也比較牽強，因為在普通水泥中，由于濕脹和持續(xù)水化，也會發(fā)生自愈等現(xiàn)象。Qgewa和Roy從無水硫鋁酸鈣礦物單獨水化解釋膨脹過程，忽略了膨脹水泥石中其他的水化產物，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，抓住膨脹和強度兩個主要組分的水化行為特征，則可以把膨脹過程描述為：膨脹組分和強度組分始終是連續(xù)、同步進行著水化反應，直至其中一個組分消耗完畢；膨脹的大小和膨脹速率主要取決于膨脹組分的數(shù)量以及膨脹水化產物和強度水化產物的反應速率差。該假說包含以下內容：