通过C-S-H凝胶化作用减少干燥收缩：早期热历史的影响

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Reduction of drying shrinkage via C-S-H densification: The role of early-age thermal history

养护温度对水泥浆体干燥收缩行为的影响及C-S-H微结构演变机制研究。通过分析不同温度养护后水泥浆体中钙矾石（C-S-H）的微结构变化，结合氢核磁共振弛豫ometry、X射线衍射及热重分析等技术，发现高温养护显著提高C-S-H致密性，导致孔隙结构改变，从而降低干燥收缩率。研究证实高温养护下C-S-H的层状堆积过程与干燥收缩的致密化机制一致，且通过重新湿润实验揭示了热历史对结构恢复能力的影响。

　　本研究聚焦于水泥浆体在不同固化温度下的干燥收缩行为，特别关注了固化温度对钙硅酸盐水化物（C-S-H）微观结构变化的影响。水泥作为现代建筑工程中最重要的材料之一，其性能受到多种因素的影响，其中干燥收缩是影响混凝土耐久性的重要因素。干燥收缩通常由材料内部水分的蒸发引起，这种收缩可能引发裂缝，从而影响结构的完整性和使用寿命。因此，理解干燥收缩的机制并寻找减缓其发生的途径，对于提升混凝土材料的长期性能具有重要意义。

研究采用了普通波特兰水泥（OPC）作为实验材料，通过在20°C、60°C和80°C条件下进行固化，随后在不同相对湿度（RH）环境下进行干燥处理，从而分析固化温度对C-S-H结构的影响。C-S-H作为水泥水化的主要产物，其微观结构的变化直接影响材料的干燥收缩行为。在固化过程中，较高的温度可以加速水化反应，导致更多的C-S-H生成，同时改变其内部的结构特性，如孔隙率和比表面积等。这些变化在干燥过程中可能进一步影响材料的体积变化。

研究中，采用了一种先进的检测技术——氢核磁共振（¹H NMR）弛豫度测量，以评估C-S-H的微孔结构变化。该方法能够直接测量样品中的氢核，从而提供关于C-S-H结构的信息，包括化学结合水和自由水的分布。此外，研究还结合了X射线衍射（XRD）和里特韦尔分析（Rietveld analysis），以量化C-S-H的组成和结构变化。这些技术的应用使得研究者能够更精确地理解固化温度对C-S-H结构的影响，并进一步分析这些变化如何影响干燥收缩行为。

实验结果表明，固化温度对C-S-H的结构特性有显著影响。在20°C条件下固化后的样品，其C-S-H结构相对较为松散，而60°C和80°C条件下固化后的样品表现出更高的密度和更小的孔隙率。这种变化在干燥过程中进一步加剧，导致高温固化样品的干燥收缩量相对较低。具体而言，在不同RH条件下，高温固化样品的干燥收缩应变曲线呈现出比低温固化样品更平缓的趋势，表明其结构更加紧密，水分流失的路径受到限制，从而减少了整体的收缩量。

此外，研究还探讨了干燥收缩的不可逆性。在干燥过程中，C-S-H结构可能会发生不可逆的变化，例如层间结合的增强或胶体结构的紧密化。这种变化使得材料在重新湿润后无法完全恢复到原始状态，从而导致部分收缩不可逆。实验结果显示，在95% RH条件下重新湿润的样品，其收缩应变的恢复程度与固化温度密切相关。高温固化样品在重新湿润后的收缩应变恢复更快，表明其结构在干燥过程中发生了更少的不可逆变化。

研究还分析了C-S-H的H/Si比值变化。H/Si比值是衡量C-S-H结构紧密程度的一个重要指标，随着固化温度的升高，H/Si比值降低，这表明C-S-H结构变得更加致密，减少了水分的结合能力。这种变化可能与C-S-H在高温下的快速水化和胶体结构的紧密化有关。此外，实验还发现，在干燥过程中，C-S-H的比表面积显著减少，这进一步支持了高温固化导致结构致密化的结论。

通过分析C-S-H的微观结构变化，研究揭示了干燥收缩行为与固化温度之间的内在联系。高温固化不仅提高了C-S-H的密度，还改变了其孔隙结构，使得材料在干燥时的收缩行为更加可控。这一发现为优化混凝土材料的固化工艺提供了理论依据，即通过控制固化温度，可以有效减少材料的干燥收缩倾向，从而提升其耐久性和结构稳定性。

此外，研究还探讨了C-S-H结构在不同湿度条件下的恢复能力。在较低的湿度条件下，如11% RH，C-S-H结构可能因严重的脱水而发生部分不可逆的变化，而较高的湿度条件下，如95% RH，C-S-H结构的恢复能力较强。这种恢复能力的差异与C-S-H层间结合的强度和结构的连通性密切相关。高温固化样品由于其更致密的结构，在较低湿度条件下仍能表现出较好的恢复能力，这可能与其层间结合的稳定性有关。

研究还通过实验数据验证了C-S-H结构在干燥过程中的变化趋势。在不同RH条件下，样品的干燥收缩应变与C-S-H的比表面积呈现出线性关系，这表明干燥收缩的驱动因素与C-S-H的结构特性密切相关。在高温固化条件下，由于C-S-H的结构更加紧密，其比表面积减少，导致干燥收缩应变的驱动能力减弱，从而降低了整体的收缩量。

综上所述，本研究揭示了固化温度对C-S-H微观结构和干燥收缩行为的重要影响。高温固化能够促进C-S-H的致密化，减少其比表面积，从而降低干燥收缩的幅度。这一发现不仅为理解混凝土材料的干燥收缩机制提供了新的视角，也为优化混凝土的固化工艺和提升其长期性能提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同固化条件下的C-S-H结构变化，以及这些变化如何影响混凝土材料的其他性能，如抗压强度和耐久性。