基于氢氧化钙空间分布模拟的水泥浆体界面过渡区最内层特征分析

为解决水泥基材料中界面过渡区(ITZ)最内层微观结构特征不明的问题，研究人员通过模拟氢氧化钙(CH)在孔隙介质中的晶体重分布机制，建立了ITZ微观结构模型。研究发现ITZ最内层(距骨料2.5μm内)因距离图值骤降导致CH沉积减少，形成疏松结构(水灰比0.4时28天孔隙率达76.6%)。该研究为准确评估ITZ对混凝土性能影响提供了新方法。

　　

在混凝土材料领域，水泥浆体与骨料间的界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)一直被称为材料的"阿喀琉斯之踵"。这个宽度约30μm的特殊区域因其疏松的微观结构，往往成为裂缝萌生和有害物质渗透的主要通道。然而令人困惑的是，尽管大量研究表明ITZ对混凝土性能具有决定性影响，关于其最内层(距骨料表面<2.5μm)的微观特征仍存在诸多争议。这主要源于两个技术瓶颈：一是实验表征时受骨料表面粗糙度干扰，难以精确测量；二是传统数值模型未考虑氢氧化钙(Calcium Hydroxide, CH)在孔隙介质中的特殊分布规律。

针对这一难题，国内某高校的研究团队创新性地将晶体重分布机制引入ITZ建模，开发了基于全形态学方法的微观结构模拟技术。相关成果发表在《Materials》上，首次揭示了ITZ最内层超高孔隙率的形成机制。研究人员采用HYMOSTRUC3D-E模型模拟水泥水化过程，结合全形态学方法建立距离图分析孔隙序列，通过200×200×200体素(0.5μm³
/体素)的精细建模，实现了CH空间分布的动态模拟。

在研究方法上，团队构建了包含五个模块的完整分析体系：输入模块获取水泥化学组成和粒径分布；初始结构模块建立考虑"壁效应"的三维REV模型；水化模块计算各相体积演变；产物形成模块模拟C-S-H凝胶壳层；CH形成模块基于距离图确定沉积序列。特别创新的是，该方法将Scherer晶体重分布理论引入水泥体系，通过距离图值变化解释CH的择优沉积行为。

研究结果部分，关于REV尺寸的优化表明100μm立方体是最佳建模尺度，其标准偏差<4%，远优于50μm模型的6%波动。水化时间序列分析显示，CH在距骨料2.5-5.0μm区域富集(距离图值达峰值)，而在最内层(0.5μm处)孔隙率高达76.6%。有趣的是，水灰比(W/C)降低会使CH沉积峰向骨料方向移动，当W/C从0.53降至0.23时，疏松区厚度从4.5μm缩减至2.0μm。

通过量化CH和C-S-H凝胶的重分布，研究发现虽然CH从15μm外向界面区净迁移量达3.5vol.%，但最内层仍呈现"三低"特征：未反应水泥(8.2%)、C-S-H凝胶(11.3%)和CH(3.9%)体积分数均显著低于外围区域。这解释了为何即使经过28天水化，最内层仍保持超高孔隙率。

讨论部分指出，该模型成功解释了Diamond等学者观察到的"骨料-浆体间隙"现象：骨料表面作为"孔隙壁"抑制了CH沉积，这与Maghsoodi最新实验发现的CH体积分数"先增后减"规律高度吻合。研究还发现，W/C降低会通过细化孔隙结构促进CH重分布，这为高强混凝土优化提供了理论依据。

该研究的突破性在于：首次从晶体溶解度角度阐明了ITZ最内层疏松结构的形成机制；开发的可嵌入主流水泥模型(CEMHYD3D、μic等)的简易算法；为后续力学(晶格断裂模型)和传输(LBM)研究提供了精确的ITZ微结构参数。未来研究可进一步考虑骨料理化性质对CH成核的影响，以及非晶态CH的固定作用。这项研究不仅解决了长期困扰学界的ITZ表征难题，更为混凝土材料性能的精准调控开辟了新途径。