水泥混凝土孔结构研究进展

由于水泥混 凝土孔隙从 几 到几万 的尺寸均存 在，这 发 生冻融破坏的 某工 程混凝 土内部的孔 结构特 征， 对混 凝土
就要求测孔仪器的测试范围要大，并且要求在预处理时尽量不 芯样进行抗冻性试验、压汞试验、 气泡间距 系数分析、岩相分
破 坏原生孔结 构状 态及形 貌，客观 真实反 应孔隙结 构。孔隙 析以及 SEM 分析，发现试 验室加速试验方法得出的结论一致，
目前许多国内外学者对水泥胶凝材料的孔结构进行了研究， 他们采用的技 术手段和研究目的均有不同。 下面结合现代化的 观察和检测仪器及技术，加上理论的分析总结，从 细观或微观
尺度出发分别从 几种不同的孔级分类，孔结 构各体形参数的测 试 技术 和表征方 法，孔 结构和 宏观性 能的关系模 型及分 形理 论在孔结构表征上的应用等方面进行总结分析，并提出了存在 的问题。 2 水泥混凝土孔级分类
水 泥混凝 土内部 结构 具有多尺度 性，孔 径分布覆 盖范围 很大，从几 的微 观尺度到几万 的宏观尺度的孔径都存在。 材料 的研 究尺 度可分为微 观 (Microscopic )、 细观 (Mesoscopic) 和宏观 (Macroscopic) 三个等级，F.H.Wittmann 最先把这 三个尺 度的研究应用到混凝 土材料的研究中 [5]，如图 1 所示。
布，且可以在不进行去气和干燥 处理的条件下测定材料的比表 了数学模型建立了孔结 构多 个参数与材料性能的关系模型，应
面 积。 压汞 法的测 孔范围为 30 ~200μm， 由于其测 试范围 用的模型主要包括 线性回归模型、指数 型多项式回归模型、神
广泛、能够提供丰富的孔结构信息、方法相对简单方便等优点， 经网络模型和灰色系统 模型等 [24~28]。
是目前应用 最为广泛的孔 结构研 究方 法。 綦春明 [8] 等 学者采 用压 汞法 获取孔 结构的 各种信息。但 是，压 汞法 也存 在着不
5 孔结构的分形特征
足之处 ：（1）所用试样在预处 理时需要进 行干燥，而干燥有可 能引起孔结构不可逆的变化，高压也能破坏材料的原生孔结构， 这就使 人们怀疑压 汞法所反映的孔结 构的真实准确性 ；（2）压 汞法所测结果只反映开放的联通孔的情况 ；（3）压汞法的理论 模型是圆柱孔模型，而混凝土中存在着许多异性孔，这也给测 量带来误差 。 [9，10]
研 究孔结 构的主要目的就是获得水泥胶凝材料的宏观性能 （强度、 抗渗性、抗冻 性、耐久性 等）， 建立孔 结构 —— 材料 性能的定性或定量的相互关 系模型，对于孔结 构的研究 有助于
3 孔结构体形参数的测试技术
对水泥胶凝材料的宏观性能 进行控制和优化。其中研究孔结构 与强度 之间关系的较多。张士 萍 [17] 通 过分析建 成两年且 局部
可以用于测定孔结构的比表面积和孔尺寸分布，吸附 法通常采 许 多文献 只考虑孔隙 率这一 参数 并建 立与宏观性 能的关 系模
用静态氮吸附容量法和重量法，能够测量 5 ~350 范围内的孔。 型，是不恰当的，孔径分布和孔几何学等孔结 构参数对于混凝
X- 射线 小角度散 射在常压下能够测定 20~300 的细孔孔径分 土宏观性能也有很大影响，不能忽略。目前也有一 些文献应用
概念，根据不同孔径对混凝土性能的影响，按孔径尺寸将其分 可以观察多孔的集料界面、微裂纹、毛细孔和气孔。A.B.
为 ：无害 孔（<200 ），少害 孔（200 - 1000 ）， 有害 孔（1000 Koudriavtsev等 [13] 采用核磁共振技 术研究孔隙率和孔尺寸分布。
- 2000 ）和多 害孔（>2000 ）， 并指出只有减少 1000 以上 此外，还有一些学者采用扫描电镜的背散射图象分析技术来研
综述评论
商品混凝土 Beton Chinese Edition ——R eady- mixed C oncrete
2009年第 10期
水泥混凝土孔结构研究进展 *
鲍俊玲，李悦，谢冰，周孝军，王敏 （北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100024）
[ 摘 要 ] 研究表明材料的细观或微 观结构对混凝土 宏观性能的有着重要的影响，孔结构是水泥混凝土细部结 构的 重要组成部分。 本文主要综述了水泥混 凝土孔结构的分类，测试技术，与宏观性能的关系和分形特征，提出了在孔 结构研究中存在的一些问题及 研究方向。 [ 关键词 ] 混凝土孔结构 ；宏观性能 ；分 形特征
Abst r act: Study shows that the material structure of meso- or m icro structures of concrete has an important impact on m acro- str ucture of concre te. The pore str uc tur e of ce ment conc rete is an impor ta nt part of the str uctur e. In the paper, the sorts, test of technology, inf lue nc e produce d toward the natures m acro- str ucture and f ra ctal char acter istic of the por e structur e of cem ent c oncr ete were gener alized. Me anwhile the main de ciency existing in the research wa s proposed, and it’s f ur ther development was also foreca sted. Keywor d: pore of structure concrete; the na tures of macro-str ucture; fractal characteristic
究还不十分成熟，各种测孔技术不免存在不足之处，但是这些 工业 大学孟庆 超 [19] 采用压汞法 测定硬 化混凝土 水泥石的孔结
测孔技术为混凝土细观研究提 供了基础和依据。
构体系参 数，研究结果表明，在 混凝土中掺加粉煤 灰、矿渣等
目前 常用的水泥石 孔结 构测 试技 术包括 ：光 学法、 等温 矿物掺合 料优化了混凝土的孔结构，提高了混凝土的抗压强度
结 构表征方 法主要包 括孔隙率、孔径 分布（孔级 配）、 孔几何 提出混 凝土抗冻 性与孔结构的关 系密切。 段纪成 [18] 以冻融循
学（孔的形 貌和空间排列），这些参 数指标 的测试与评 价已经 环为试验条件，采用压汞法测试混凝土的孔结构，认为正是高
成为水泥基 材料科 学研究的主要内容。 现阶段由于这一领域研 性能混凝土良好的孔结构赋予了其优异的抗冻耐久性。哈尔滨
综述评论
多学 者针对作为显微 结构 重要组 成部 分孔结 构按照 不同标准 入液体，同时结合电子探 针图象分析技术（EPMA）揭示孔的
尺寸分 别进行了划分，并提 出了不同的观点和划分方法。如吴 位置和形状。M.K. Head[12] 等 采用激光 扫描共焦显微镜 来研究
中伟 院士在 1973 年提出的孔级 划分和孔 隙率及其影响因素的 硬化水泥石细孔 结构的 3D 图象，光学分辨率可以达到 1μm，
图 1 混凝土三个研究尺度 在 对混 凝土 进行了宏观，细 观， 微观 划分 的基础上，很
* 基金项目 ：国家重点基础研究发 展计划（973 计 划）：环境友好现代混凝土的基础研究
·1ห้องสมุดไป่ตู้·
2009年第 10期
商品混凝土 Beton C hinese Edition ——R eady- mixed C oncrete
的有害孔、增加 500 以下的少害或无害孔，才能改善水泥混 究孔结构 。 [14~16]
凝土材料宏观性能和耐久性 [6]。布特等人对 混凝上的孔结构也 曾做了大量的测试，按照孔径大小把混 凝中的孔分为四级，分
4 孔结构与宏观性能的关系
别为凝胶孔（<100 ）、过渡孔（100 ～1000 ）、毛细孔（1000 - 10000 ）和大孔（>10000 ）[4]。Jawed 等人对混 凝土中的孔 结构进 行研 究后，将孔结构划分为 ：大孔（>50000 ）和毛细 孔，而毛细孔又进一步划分为大孔（500 ～ 50000 ）、间隙孔 （26 ～ 500 ）和微孔（<26 ），并且指出大于 50000 的大孔 可以用光学显微镜测试，由于气泡的未充分凝 结硬化，影响材 料 强度 ；毛 细孔可以用压 汞法和 气体吸附 法测 试， 与 C- S- H 凝胶 有关 [4]。 日本的近藤连一和大门正机在 第六届国际水泥化 学会上从更微观层 次提出将水泥石中的孔分为 ：凝胶 微晶内孔 （<12 ），孔内为层间水，是混 凝土中最小的孔 ；凝胶微晶间孔 （6 - 16 ），即为凝胶孔，孔内的水包括 结构水和非蒸发水 ；凝 胶粒子间孔或称过渡孔（32 ～ 2000 ），为 powers 所说的毛细孔； 毛细孔或大孔（>2000 ）[7]。
吸附 法、X- 射 线小角度散射、压汞 法等。光学 法结合图象分 和抗渗性能。
析仪能够 分析不同孔径 所占比例，其特点 是微孔不易辨 认，多
在 已经建 立的孔 结构 与材料性 能的模 型中， 大量的 文献
用于大孔的分析，一般能 够测量大于 250 的孔。 等温吸附法 是应用孔结构参数对材料的宏观性能进行定性的解释和分析 [20~23]。
硬化 水泥浆体和混 凝土结 构有多宏观性质，如物理性质、 力学 性能、抗冻 性、 抗渗性 抗氯 离子等， 都会 受到显 微观 结 构的影 响。 有研究结 果表明， 硬化水 泥浆体中 C- S- H 相约为 70%，Ca(OH)2 约为 20%，钙 矾石和单 硫型水化硫铝 酸钙等约 为 10%，未水化部分及其它微量组分约为 30%，由交 织附生的 纤维状、针状、棱柱状以及 六方板状等水化产物构成的硬化水 泥浆体强度较高，立方体或似 球状多面体水化产物则强度较低。 这说明硬化水泥浆体显微 结构与其力学性能和耐久性有密切的 关 系。 而孔结 构是 显微结 构的 重要组 成部分，因 而孔结 构与 混凝土 宏观性能有密切关系。