水泥含量对石灰-水泥砂浆孔结构及吸水率的影响

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Effect of cement content on the pore structure and imbibition rate of lime-cement mortars

孔隙结构与水分传输特性研究：通过动态蒸汽吸附、墨水入射孔隙测量和微CT分析，发现水泥占比55%以下时砂浆毛细吸水率随水泥增加而升高，超过55%因微孔隙增多而降低。石灰比例影响孔隙分布，高石灰砂浆孔隙率大、强度低，而高水泥砂浆孔隙细小、机械性能优异。研究为传统建材的改良设计提供理论依据。

　　水泥石灰砂浆的孔隙结构及其水传输特性对于可持续建筑结构的设计具有重要意义。通过优化这些特性，可以提高砂浆与多孔基材（如建筑石材和砖块）之间的相容性，同时增强砂浆在施工中的耐久性和效率。本研究对六种不同水泥含量的水泥石灰砂浆混合物的孔隙结构进行了全面分析，并探讨了其对机械性能、自然碳化和毛细水吸收率的影响。为此，研究采用动态蒸汽吸附（DVS）、汞 intrusion 粒径分析（MIP）、微计算机断层扫描（micro-CT）、毛细水吸收率以及真空吸水率（WA）等多种技术手段，对砂浆的孔隙率进行了表征。研究发现，水泥含量较高的砂浆会形成更为精细的孔隙网络，主要由微毛细孔组成，同时孔隙率降低，呈现出单峰分布，从而导致较高的强度；而石灰则会促进形成较大的毛细孔。研究还指出，当水泥含量占结合剂质量的37%至55%时，石灰砂浆的主毛细吸水率显著增加，但当水泥含量超过55%后，这种吸水率开始下降，这可能是由于水泥的加入导致微毛细孔体积增加所引起的。研究强调了在水泥石灰砂浆中平衡石灰和水泥含量的重要性，以优化其孔隙结构和水传输特性，进而影响其机械性能和耐久性。

石灰类结合剂作为建筑材料已有悠久的历史，早在公元前6000年，人们就已经在黎凡特地区使用石灰作为抹灰材料，后来被古希腊和罗马人发展为砂浆并广泛应用于建筑领域[1]。直到工业革命初期，随着窑炉技术的发展，波特兰水泥的生产得以实现，其更高的煅烧温度使得水泥在强度发展和硬化速度方面优于石灰，从而导致了石灰技术的逐渐衰落。尽管如此，石灰砂浆因其良好的相容性，仍然是修复历史建筑的首选材料，因为它能够与传统砌体和石灰基材料更好地结合[2]、[3]。然而，为了提升石灰砂浆的耐久性和强度，加入一定比例的水泥可能是有益的。因此，研究水泥石灰砂浆的性能，特别是其孔隙结构和水传输特性，对于优化砂浆配方和预测其在特定应用中的表现至关重要。

在过去的几十年里，许多研究已经关注了水泥石灰砂浆的机械性能、孔隙率和水传输行为[4]、[5]、[6]、[7]。例如，Arandigoyen 和 Alvarez[4] 的研究发现，尽管石灰砂浆的抗压强度较低，但它们在承受较大变形之前表现出更高的韧性。Mosquera 等人[6] 则研究了水泥加入对石灰基砂浆孔隙结构和水蒸气传输的影响，发现随着水泥含量的增加，砂浆的孔隙体积和孔径均有所减少。这些研究虽然提供了关于砂浆性能的重要信息，但对水泥含量如何影响水渗透率及其与孔隙结构之间的关系，以及时间因素的影响，仍缺乏深入探讨。

研究砂浆的孔隙结构是一项具有挑战性的任务。孔隙范围的划分本身就是一个存在争议的问题。例如，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类标准[8] 将小于2纳米的孔隙定义为微孔，2纳米至50纳米的孔隙为介孔，而大于50纳米的孔隙则归为大孔。另一种分类方法则根据孔隙的水分传输机制来划分孔隙范围，例如区分空气孔隙和粗毛细孔隙（直径约10微米），以及介孔孔隙（直径小于50纳米）[9]、[10]。根据IUPAC的分类，微孔由于其极小的尺寸，通常被溶液饱和，这些孔隙在砂浆中具有较强的水保持能力[11]。介孔孔隙则主要负责水蒸气扩散、液态水传输和毛细渗透性，而孔隙的连通性则取决于水化阶段[14]。此外，许多分析技术可以提供关于不同孔隙尺寸的信息。例如，真空吸水率（WA）可以提供砂浆中所有开放且相互连接的微孔至大孔的总体积信息[19]，而汞 intrusion 粒径分析（MIP）则能够表征孔隙的直径，其范围可以从0.001微米到360微米，具体取决于所施加的压力[14]。通过循环测量，还可以估算孔隙的连通性[17]。动态蒸汽吸附（DVS）是一种补充技术，能够提供介孔范围（2-50纳米）的信息[12]、[17]，但其结果通常不包括大于50纳米的大孔或总体孔隙率。因此，WA技术在提供整体孔隙体积信息方面具有独特优势，但缺乏对孔隙尺寸分布的详细分析。X射线微计算机断层扫描（micro-CT）也被用于表征多孔建筑材料，其主要优势在于能够对孔隙尺寸分布、总体孔隙率以及开放和封闭孔隙的数量进行三维量化分析，而无需破坏样本[14]、[20]。然而，micro-CT的空间分辨率主要取决于样本的直径，例如，在大多数系统中，直径为5毫米的样本可以达到约5微米的体素尺寸，而高分辨率CT扫描仪则能够实现亚微米级别的分辨率，但需要考虑样本的代表性[21]。总体而言，结合多种技术手段可以更全面地表征砂浆的孔隙特性，同时需注意每种技术的局限性。

本研究旨在探讨水泥含量对水泥石灰砂浆的孔隙率、孔隙结构以及毛细水吸收率的影响。为此，研究制备了六种不同水泥含量的水泥石灰砂浆混合物，并对其结构性能和碳化过程进行了分析。研究采用MIP、DVS、WA和micro-CT等技术手段，对砂浆的孔隙结构进行了综合分析。此外，还测量了砂浆的自然碳化速率，并分析了水泥含量对水渗透率线性度和孔隙尺寸分布的影响。这些研究结果对于理解是否存在促进或阻碍水泥石灰砂浆中水传输的关键孔隙尺寸阈值具有重要意义。同时，这些信息也能够为砂浆配方的优化设计和材料性能的预测提供支持。

为了实现这一目标，研究制备了六种不同水泥含量的水泥石灰砂浆混合物。这些混合物使用了CL90-S水化石灰（由Lhoist提供）和CEM II/A-L 32.5R波特兰水泥（由Tarmac提供），并按照不同的结合剂比例进行配制（详见表1）。研究采用CEN标准的石英砂（粒径范围为0.08至2.00毫米）作为骨料，并按照1:3的结合剂与骨料体积比进行配制，符合EN 1015-11标准[23]。尽管这些砂浆混合物被标记为水泥:石灰:砂（C:L:S）的体积比例，但在文中描述时则以结合剂中水泥和石灰的比例为准。通过调整水的用量，研究确保了所有混合物在相同工作性条件下进行测试。结果表明，随着石灰含量的增加，砂浆的需水量也随之增加，这与Séba?bi等人[49]的研究结果一致，他们发现用石灰替代水泥需要更高的水含量以确保砂浆的可工作性。

在机械性能方面，研究对砂浆的抗弯强度（Ff）和抗压强度（Fc）进行了分析。结果表明，这两种强度指标在7至28天的养护期内迅速上升，随后在90天时逐渐趋于稳定（见图3）。值得注意的是，0:1:3混合物在7天时无法承受任何载荷，因此没有相关数据。研究发现，随着水泥含量的增加，砂浆的机械性能也随之提高，这与之前的研究结果一致[5]。然而，较高的石灰含量会导致砂浆的孔隙率增加，并且孔隙尺寸变大，从而对砂浆的抗压强度产生负面影响。此外，研究还发现，孔隙结构的变化不仅影响砂浆的强度，还对水的传输行为产生显著影响。例如，当水泥含量增加时，砂浆的孔隙尺寸分布发生变化，从以大孔为主转变为以微孔为主，这可能会降低水的渗透速率，同时提高砂浆的密实度和强度。这些发现对于理解水泥石灰砂浆的性能变化具有重要意义，并为优化砂浆配方提供了理论依据。

研究还对砂浆的自然碳化过程进行了分析。自然碳化是指砂浆在环境中与二氧化碳发生反应，形成碳酸钙的过程。这一过程对砂浆的长期性能和耐久性具有重要影响。研究发现，水泥含量较高的砂浆由于其更细密的孔隙结构，更容易发生碳化反应，这可能与孔隙中CO?的扩散速率有关。而石灰含量较高的砂浆由于孔隙较大，CO?的扩散路径更长，因此碳化速率较低。然而，随着水泥含量的增加，砂浆的碳化速率逐渐加快，这可能是因为水泥的加入提高了砂浆的密实度，从而促进了CO?的扩散。这些结果表明，水泥含量的调整不仅会影响砂浆的物理性能，还可能对其化学稳定性产生影响，因此在设计砂浆配方时需要综合考虑这些因素。

此外，研究还探讨了水泥含量对砂浆水吸收速率的影响。水吸收速率是衡量砂浆耐水性和渗透性的重要指标，对于评估砂浆在潮湿环境中的表现具有重要意义。研究发现，当水泥含量增加时，砂浆的水吸收速率会显著降低，这可能与砂浆孔隙结构的变化有关。例如，水泥含量较高的砂浆由于孔隙尺寸减小，水分子的渗透路径变短，从而降低了水的吸收速率。然而，当水泥含量超过55%时，水吸收速率开始下降，这可能是由于微毛细孔的增加导致水的传输路径更加复杂，从而降低了水的渗透效率。这些发现表明，水泥含量的调整对砂浆的水传输特性具有显著影响，因此在实际应用中需要根据具体需求选择合适的水泥比例。

通过综合分析不同水泥含量对砂浆孔隙结构和水传输特性的影响，研究为优化砂浆配方提供了理论支持。例如，研究发现，当水泥含量在37%至55%之间时，砂浆的主毛细吸水率显著增加，这可能是因为此时水泥的加入有助于形成更多的毛细孔，从而提高了水的吸收能力。然而，当水泥含量超过55%时，主毛细吸水率开始下降，这可能与微毛细孔的增加有关。这些结果表明，水泥含量的调整需要在强度和水传输特性之间找到平衡点，以确保砂浆在不同应用场景下的性能表现。例如，在需要较高强度的结构中，可以适当增加水泥含量；而在需要良好透气性和水传输性的修复项目中，则应控制水泥含量，以保持砂浆的相容性。

研究还强调了在实际工程应用中，对砂浆孔隙结构的深入理解的重要性。例如，孔隙结构的变化不仅影响砂浆的强度和耐久性，还可能对砂浆的碳化过程和水传输行为产生影响。因此，在设计砂浆配方时，需要综合考虑这些因素，以确保砂浆能够满足不同应用场景的需求。此外，研究还指出，不同分析技术在表征砂浆孔隙结构方面各有优势和局限性，因此在实际研究中应合理选择和组合这些技术，以获得更全面和准确的孔隙结构信息。例如，MIP可以提供孔隙直径的详细信息，而WA则能够提供总体孔隙体积的概览，micro-CT则能够实现三维孔隙结构的可视化分析。这些技术的结合使用可以更全面地揭示砂浆的孔隙特性，为后续的性能优化和应用设计提供支持。

总之，本研究通过系统分析水泥石灰砂浆的孔隙结构和水传输特性，揭示了水泥含量对砂浆性能的影响机制。研究发现，水泥含量的增加会显著改变砂浆的孔隙结构，从而影响其强度、碳化速率和水吸收能力。这些结果不仅为优化砂浆配方提供了理论依据，还为评估砂浆在不同环境条件下的表现提供了参考。通过合理调整水泥和石灰的比例，可以实现砂浆性能的优化，使其在建筑和修复工程中发挥更好的作用。未来的研究可以进一步探讨不同养护条件和环境因素对砂浆孔隙结构和性能的影响，以期为更广泛的工程应用提供科学支持。