水泥水化其微结构发展计算机模拟.docVIP

水泥水化及其微结构发展的计算机模拟 陈彩艺 （福州大学土木工程学院，福建 福州 350108） 摘要：近几十年来，水泥水化及其结构演化的计算机模拟技术得到了迅速发展，先后经历了单晶体颗粒模型、数字成核生长模型、及当前的三维微结构发展模型。对用来理解硅酸钙相水化形成过程和水泥矿物质在水中的溶解的分子规模模拟方法都进行了讨论（其中最具代表性模型有连续基模型和数字图像基模型），并对水泥水化模型模拟未来发展提出个人看法。 关键字：水泥水化、模型、微结构、三维计算机模拟 Modeling and simulation of cement hydration and microstructure development Chen Caiyi （College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian Province 350108, China） [1]。早期的水泥水化模型都是以单矿物相C3S为研究对像。Kondo等人提出相应的C3S的水化数学模型[2-3]，与此同时计算机模拟水化过程的设想由Frohnsdorff[4]等人提出。这个设想是在Pommersheim和Clifton提出的C3S水化动力学模型中得到实现[4-6]。另外他们还提出了单矿物相C3S和C4AF的水化模型。 从上述的C3S水化动力学模型出发，陆续发展到后来得到广泛应用的水泥水化连续基模型。当前水泥水化连续基模型的典型代表是由荷兰代尔夫特理工大学（DELFT University of Technology)土木工程与地质科学系van Breugel教授领导的混凝土结构研究组开发的HYMOSTRUC (HYdration MOrphology and STRUCture formation ) [7-11]。该系统考虑了水泥矿物组成，水泥粒度分布，矿物掺和料以及水灰比，养护温度等技术参数对水化过程的影响，它是连续基模型中最为系统和全面的水泥水化模型。 水化模型的另一大类—数字图像基模型，以1989年美国标准技术研究所（NIST) 的Bentz和Garboczi提出的基于数字图像处理的水泥水化模型CEMHYD3D为代表[12-13]。在过去十几年间，该科研所的的研究人员对这个模型不断改进和补充完善。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，以代表水泥矿物不同成分相对像素为基础。 以上是国外在水泥水化方面的研究情况。国内将计算材料学的理论方法应用于水泥混凝土材料的研究，特别是水泥水化模拟这一块与世界先进水平的差距相当大。据文献调查只有同济大学、大连理工大学、辽东学院的少数研究人员对水泥水化模拟进行研究[14-17]，但它们目前研究都是基于对CEMHYD3D原理的了解及其模仿，它的应用、改进、完善未见有人对其研究。 本文主要对水泥水化经历的几种模型及其模拟方法进行了描述讨论和对比，并且对今后国内水泥水化模拟（基于CEMHYD3D)的应用发展完善提出个人看法。 水泥水化动力模型及微结构发展的计算机模拟 按照水泥颗粒的及其空间分布的模拟方法，从开始到现在经历了单颗粒模型、数字成核生长模型、以及三维结构动力模型目前具有代表性的模型可以分为连续系统模型（continuum-based）和数字图像系统模型 （digital-image-based)。 单颗粒模型 在Xie和Biernack文献中[18]详细讨论了单颗粒模型。在1968年发表的一篇具有影响力的水泥水化调查文献里面，Kondo 和Kodama讨论并提出一种模型：单一硅酸三钙动力模型，假设单一球形水泥颗粒反应形成的厚度均匀水化物成同心状生长。为了让模型能够实施，Kondo等人也假设最开始的水泥与水的接触形成了稳定层，它对水泥的溶解形成障碍，减缓了反应，导致所谓的诱导期。随着稳定层的溶解，渗透性更快，这样就加快水泥水化速度的增快。随着水泥水化的进行，水泥颗粒产生收缩，收缩的体积被新生成的水化产物取代，外层水化产物穿越障碍层的外表面向外生长到毛管空隙间。随着水化产物厚度的增加，它对反应物离子扩散的限制越高，最后动力转移到扩散—控制状态，处于这种状态反应速度持续下降。使用这个模型，各反应阶段速度分别被考虑，而整个水化反应的平均速度取所有阶段中的最慢反应速度。 1979年—1982年，Pommersheim, Clifton,和Frohnsdoff等人利用在Kondo等人的原始模型基础上提出综合反应扩散的C3S水化单颗粒模型。他们的模型原理图见图1（右）。基于对Willamson1972年提出水泥微结构发展的概念模型，他们继续推出水化模拟是否能在相边界进行。这个模型的优点在于它能够允许边界水化增长的无缝集合，可以在两反应物表面发生并扩散通过