评估温度对水泥浆体的影响

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硅酸盐水泥是最常见的水泥类型。它在全球范围内被用作混凝土、砂浆、灰泥和非专业灌浆的基本成分。它由细碎的钙质材料(含石灰)和泥质材料(粘土)组成。占水泥干重90%以上的化合物是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝铁氧体四钙。

向水泥中加入水(放热反应)会形成新的化合物。该水化水泥膏体由托贝莫来石凝胶、氢氧化钙、水合铝铁酸钙、水合铝酸四钙和单磺酰亚钙组成。

通常，成熟的水泥浆体由70-80%层状水合硅酸钙(C-S-H)凝胶，20% Ca(OH)组成。_2，和其他化合物。C-S-H凝胶的结构有三种类型的基团，它们有助于在部分结晶的托贝莫来石材料的表面或层间形成键:钙离子、硅氧烷和水分子。

层内的水(凝胶水)通过氢键与其他基团结合，决定了水泥浆体的强度、刚度和蠕变特性。水泥浆体的结构性能主要由托贝莫来石凝胶提供。

温度对水泥浆体的影响

加热后，水泥浆体经历了一系列不可逆的分解反应。在高温的影响下，发生一定的物理和化学变化，导致硅酸盐水泥浆体的收缩、瞬态蠕变和强度的变化。

在此温度下观察到的材料特性的变化是其水分状态(密封或未密封)，化学结构(未密封条件下C-S-H中化学结合水的损失，CaO/SiO₂密封条件下水合物的比例、Ca(OH)量₂密封或非密封条件下的晶体)和物理结构(包括裂缝、平均孔径和固体的非晶/结晶结构在内的总孔隙体积)。

此外，当水泥浆体暴露在高温下时，硅酸盐(氢氧化钙)和硅酸钙水合物会发生分解。然而，文献中关于C- s - h凝胶分解产物的性质和类型存在矛盾，由于其无定形性质，C- s - h凝胶在很宽的温度范围内(105˚C至1000˚C)分解。

几位研究人员研究了暴露在高温下的水泥膏体中的C-S-H凝胶的脱水情况。C- s - h凝胶在100˚C - 400˚C的温度范围内脱水并转变为C₂S和C_3.S在800˚C。另据报道，C- s - h凝胶在560˚C时开始分解并转化为C₂S和C_3.S在800˚C。

水泥浆体的失重发生在300˚C - 750˚C之间。体重下降随着温度的升高而增加。

在300˚C时发生的失重可能是由于毛细水从宏观毛细孔中蒸发，水泥浆体凝胶孔中凝胶水蒸发以及C- s - h的部分脱水。在450℃时，水泥浆体的失重可能是由于硅酸盐的脱水。600˚C - 750˚C的失重是由于剩余的portportite和C- s - h脱水以及方解石的分解。

堆积密度在300˚C急剧下降，然后在更高的温度下下降非常缓慢。总孔隙度在300˚C时下降，在更高温度时增加。当温度升高至300˚C时，毛管水蒸发和水合钙脱水产生的蒸汽积聚，而总孔隙率降低。因此，在低渗透性水泥浆体内部会形成内部蒸气压。

在这种水热条件下，蒸汽压力促进了未水化的水泥浆体的水化，并形成了额外的水化产物，同时也填满了水泥浆体的一些开放孔隙。

采用FTIR、XRD、TGA/DTA和SEM等技术，监测了水泥浆体随温度升高而发生的微观结构和成分变化。300℃时，水泥浆体的微观结构没有明显变化。然而，由于加热的水泥浆体的冷却和石灰的再水化而产生的热冲击会导致体积的显著增加，从而增强有害裂缝的传播。

资料来源及进一步阅读

• Alarcon-Ruiz, L.， Platret, G.， Massieu, E.和Ehrlacher, A.(2005)。热分析在评估温度对水泥浆体影响中的应用。水泥与混凝土研究。609613.
• 坦塔维，m.a.(2017)。高温对水泥浆体微观结构的影响。材料科学与化学工程，5,33-48。

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