水泥基材料微观结构仿真模型研究的发展分析

吴利华，苏 琴，范 克

（南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京210006）

水泥基材料微观结构仿真模型研究的发展分析

吴利华，苏 琴，范 克

（南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京210006）

为实现水泥基材料水化后的微观模拟，阐述近年来水泥基材料硬化中微观结构仿真模型的研究现状，综合对比连续系统模型Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC及数字图像系统模型CEMHYD3D的特征及优缺点。限于各模型在模拟水化过程的全面性中均存在难度，根据研究目的和条件选取合理的模型。以期对预测工程实践中的材料性能具有指导意义。

水泥基材料;微观结构;模型研究;对比

0　引言

水泥基材料作为基本建设的重要原材料之一，已广泛应用于各类型工程建设中。在了解水泥水化机理的前提下，如何实现水泥基材料微观结构的仿真模拟，从而控制调节其结构发展以满足实际工程的需要，是当今诸多学者关注的问题。水泥基材料硬化后微观结构的模拟是以胶凝材料的水化模型为基础的，所以各种数值模型都是以模拟水泥颗粒或者水泥矿物相在水化之前的空间分布状态与其水化过程为出发点。在过去四十多年里，从水泥水化模型的设想开始，国内外发展了若干基于计算机的水泥基材料微观结构演化仿真以及预测其力学特性的水泥水化模型。

目前，按照水泥颗粒及空间分布的模拟方法，可分为连续系统模型和数字图像系统模型。连续系统模型有Navi模型、DuCOM模型、HYMOSTRUC模型等，数字图像系统模型以CEMHYD3D为代表。

1　水泥水化机理

水化是一种复杂的溶解－沉淀的过程，各种水化反应是以不同的速率同时进行的，而且彼此有影响，无水相的溶解有可能形成一种溶解度比无水熟料矿物更低的化合物，从而导致胶体的和结晶的水化物的沉淀，最终成为硬化的浆体。水泥熟料是一种不平衡的多组分固溶体，由于组成的四种主要化合物（C3S、C2S、C3A、C4AF）具有不同的水化活性，因此，水泥与水混合后，立即发生一系列的物理、化学变化，产生不同性状的水化产物。水泥的水化过程中，始终伴随着水泥组分的溶解与水化产物的生成，这些水化产物相互制约着生长与发育，并在特定条件下形成不同的凝胶或晶体，加速或抑制水化反应的进程，最终使水泥浆体形成具有一定结构支撑能力的硬化体系——水泥。

如图1所示,一般用水化的放热速度随时间变化曲线来研究水泥的水化过程，可将常温下水泥的水化过程简要的概括为三个阶段，即：钙矾石形成阶段、C3S水化阶段、结构的形成与发展阶段[1]。

图1　水泥水化放热曲线

2　水泥水化微观结构模型

在20世纪90年代左右，水泥基微观模型研究取得了一定的进展，并提出了HYMOSTRUC和CEMHYD3D为代表的连续基模型及数字图像模型两种不同的模拟方法。

荷兰代尔夫特理工大学vanBreugel教授领导的混凝土结构研究组开发的HYMOSTRUC（HYdration MOrphology and STRUCture formation）[2]软件系统是在HYDRASIM模型的基础上进一步完善而成的。HYMOSTRUC软件系统考虑了水泥矿物组成，水泥粒度分布，矿物掺合料以及水灰比，养护温度等技术参数对水化过程的影响，是连续基模型中最为系统和全面的水泥水化模型。后经Koenders[3]、Lokhorst[4]和Ye[5]对该系统的完善，该模型可以模拟水泥基材料因水化引起的变形问题，可以预测硬化水泥浆体的渗透性能。这些研究都基于HYMOSTRUC模型对于水化过程和微观结构发展的仿真，同时又进一步拓展了原始程序，涉及到浆体中颗粒的空间分布，热力学原理和水化水泥颗粒之间的计算等。

随着计算机技术的飞跃，水泥基材料的计算机模拟技术也产生了许多分支，如Navi模型、DuCOM模型等。根据HYMOSTRUC模型，Navi[6]提出了集成粒子动力学的连续基C3S水化模型，该模型与HYMOSTRUC模型类似，也考虑了水泥粒径分布以及非活性矿物掺合料掺量对水化速度的影响，但是该模型的特点在于采用了数学形貌学方法研究了硬化水泥浆体中固体相和孔相的连通性。但该模型没有全面考虑养护条件等技术参数的影响，另外也没有提到C3S粒子间的交互作用对水化过程的影响。在1994年日本的Kishi[7]提出了混合水泥的水化模型。随后Maekawa等人[8]强调了不同机理和过程的相互作用，认为在水化作用的早期阶段应给予考虑，因此在高级的微观结构模型中也应该考虑到。在20世纪90年代末，Maekawa开发了 DuCOM （Durability of Concrete Model）有限元软件系统，该软件的主要目的是解决模拟混凝土的耐久性问题，因而将水泥颗粒假设为在参考单元中随机分布的等径C3S球形颗粒。从微观结构演化的模拟角度而言，这一假设过于简化，因此不能够实际地模拟水泥水化这一复杂的物理化学过程。

总而言之，上述的这些连续基模型虽然侧重点不同，但都是以水泥颗粒在参考单元中的随机分布为出发点，因而没有考虑到水泥颗粒的本征聚集以及颗粒间的交互作用。

此外,1989年美国国家标准技术研究所（NIST）的Bentz[9]提出的基于数字图像处理的水泥水化模型CEMHYD3D。该模型的模拟程序始于背散射扫描电镜获得的水泥矿物分布的数字图像，以代表水泥不同矿物相的像素为基础，所以被称为数字图像基模型。连续基模型以球形水泥颗粒在参考单元中的空间分布为出发点，而数字图像基模型以代表水泥矿物各相的像素的空间分布为出发点。该模型经过过去20多年的不断完善，现在可以研究水化过程中固体相和孔相的连通问题，可以模拟水灰比，水泥粒度分布，活性掺合料细度及其掺量对水化速度的影响，可以预测不同水化条件下水泥的力学性能和渗透率以及离子扩散率等。

4　各模型特征对比及分析

基于上述微观模型，结合后续研究[5]，分别对CEMHYD3D、Navi模型、DuCOM、HYMOSTRUC模型的特征及优缺点进行综合对比，见表1。

表1　四种微观结构模型的主要特征对比

通过对比，分析得出从颗粒尺寸分布来看，HYMOSTRUC范围无限制，而DuCOM仅能模拟单尺寸颗粒。从水泥组成角度看，Navi模型、DuCOM仅模拟单相C3S模型，而CEMHYD3D模型最为全面。从水泥种类及混合物比例来看，Navi模型均未考虑。从动力学角度，CEMHYD3D模型未考虑。从养护条件来看，Navi模型存在不足。从上述对比中可以看出，以现在的模型来模拟实际孔隙结构，尚需不断完善及优化。

基于以上特征，综合其利弊，可以看出CEMHYD3D模型在结构组成及分布上更接近于实际结构，考虑较为全面，但模拟水泥浆的极其早期的行为和量化孔隙的方式存在问题；Navi模型、DuCOM过为简单，与实际结构存在较大差距；HYMOSTRUC模型在考虑水化过程中的影响因素方面具有优势，但其随机分布的缺点是无法考虑水泥颗粒粒子间的交互作用，并且完全忽略了水泥颗粒本征的聚集效应，同时很难使三维结构中的固体粒子达到较高的堆积密度。在未来研究中，可以结合研究目的和自身条件，选取最合理的模型。

4　结论

通过上述对水泥基材料微观结构仿真模型研究的论述和分析,可以得出以下结论:

（1）连续基模型自身的随机分布方法需不断完善和优化，SPACE系统虽然实现了动态密实的模拟，但以HYMOSTRUC为代表的连续基模型还需完善C3A，石膏及其它微量元素的影响。

（2）CEMHYD3D数字图像模型始于背散射扫描电镜获得的水泥矿物分布的数字图像，使得模型能更好地再现真实水化情况。未来的研究中，可基于试验研究完善其在模拟水泥浆早期特性和量化孔隙方面的不足。

（3）目前现有的各种水泥基材料微观结构仿真模型都无法全面的模拟真实的水化过程，在科学研究之中可结合研究目的和研究条件，选取最合理的模型以指导实践。

历经40多年，国外在硬化中水泥基材料微观结构仿真研究方面已取得一定的成果，对工程实践中的材料性能预测具有指导意义。我国起步相对较晚，但也已经开展相应的研究[10]～[13]，目前主要集中于水泥基微观材料的影响因素以及微观模型构建等方面的研究。由于水泥基材料的水化过程是一个较为复杂的物理——化学过程，还有很多影响因素尚未考虑，如水化温度、凝固时间、环境条件等，因此这一领域还需不断深入及探索。

[1]P.BARNES.吴兆琦等译.水泥的结构和性能[M].中国建筑工业出版社,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.碳纳米管水泥基复合材料的力学性能和微观结构[J].硅酸盐学报，2005,33（1）：105-108.

[11]阎培渝，郑峰.水泥基材料的水化动力学模型[J].硅酸盐学报，2006,34（5）：555-559.

[12]冯竟竟等.高温对水泥基材料微观结构的影响[J].建筑材料学报，2009,12（3）：318-322.

[13]侯汶杉.基于VTK和随机序列吸附的水泥微观结构构建[D].济南：济南大学,2011.

TU502

A

1009-7716（2016）02-0185-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.051

2015-10-23

吴利华（1984-），女，安徽合肥人，硕士研究生，工程师，主要从事水利工程设计工作。