一種新的學(xué)術(shù)理念或者科學(xué)思想的出現(xiàn)，常常得不到認(rèn)可，更難見(jiàn)有人提出問(wèn)題進(jìn)行討論，例如美籍奧地利人、理論生物學(xué)家L.V.貝塔朗菲(LudwigVon Bertalanffy)在1932年發(fā)表“抗體系統(tǒng)論”，提出了系統(tǒng)論的思想。但是直到1945年才得到學(xué)術(shù)界的重視，而在1968年貝塔朗菲發(fā)表《一般系統(tǒng)理論基礎(chǔ)、發(fā)展和應(yīng)用》(《General System Theory；Foundations，Development，Applications》)的專(zhuān)著后，才確立了系統(tǒng)論的學(xué)術(shù)地位。

同理，吳中偉在近60 年前就提出的“水泥基復(fù)合材料中心質(zhì)假說(shuō)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中心質(zhì)假說(shuō)”，在當(dāng)時(shí)是很超前的，是應(yīng)當(dāng)記入水泥混凝土發(fā)展史的。但是也并未得到重視和傳播。其主要原因是當(dāng)時(shí)作為后輩的我們感悟不夠，沒(méi)有深刻的理解。直到2012年10月12日MIT混凝土持續(xù)性中心(Concrete Sustanibility Hub)的科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)《物理學(xué)通報(bào)》發(fā)表了一篇論文題為：Nanostructure and Nanomechanics of Cement：Polydisperse ColloidalPacking(水泥的納米結(jié)構(gòu)和納米力學(xué)：多分散性的凝膠集聚體)，才引起我們的對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析，感到吳先生60年前提出的“中心質(zhì)假說(shuō)”確實(shí)很超前。MIT學(xué)者的論文所述研究最多是采取現(xiàn)代技術(shù)，對(duì)吳先生“中心質(zhì)假說(shuō)”和之后H. F. W. Taylor關(guān)于孔隙率-顆粒組成等強(qiáng)度關(guān)系模型是一種側(cè)面實(shí)證，但其中所述“發(fā)現(xiàn)”的結(jié)論并不很先進(jìn)。

上述MIT 學(xué)者的研究為“水泥是如何使混凝土具有強(qiáng)度的”。其研究的主要內(nèi)容是用Monte Carlo法建立3.0～3.5 nm顆粒不同聚集體的模型，得到不同顆粒組成聚集體的納米壓痕模量與聚集率的關(guān)系，以及聚集率與多分散度的關(guān)系，得出的結(jié)論是：1)證明“C-S-H”(水化硅酸鈣)單元在原子尺度上內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)是幾何無(wú)序排列的，并非以前所認(rèn)為的晶體結(jié)構(gòu)；2)證明“C-S-H粒子以任意尺寸形成，并非均一的球形，而這種納米尺度單元的尺寸多樣性，導(dǎo)致一種致密的、無(wú)序團(tuán)聚的粒子群，形成較強(qiáng)的膠凝材料漿體；3)證明“混凝土強(qiáng)度的來(lái)源就是水泥中多樣性納米尺寸粒子優(yōu)化的聚集密度。”分析這三條結(jié)論可見(jiàn)，第1條所述是早已被公認(rèn)的事實(shí)：硅酸鹽水泥主要的水化物C-S-H凝膠為近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的非晶態(tài)固體；第2條所述“多樣性納米尺寸粒子優(yōu)化的聚集體”，實(shí)際上是吳中偉“中心質(zhì)假說(shuō)”中水泥基材料的第3層微結(jié)構(gòu)中的“微介質(zhì)”；第3條混凝土強(qiáng)度由上述水化物粒子的聚集密度所決定，也就是說(shuō)與粒子之間距離有關(guān)，表明水化物聚集的動(dòng)力主要是vander Waals力；也就可說(shuō)明我們長(zhǎng)久以來(lái)所認(rèn)識(shí)的重要規(guī)律：常用強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，在其它條件相同的情況下，水灰比是決定其強(qiáng)度的主要因素。

MIT混凝土持續(xù)性中心的這項(xiàng)成果可用做吳中偉“中心質(zhì)假說(shuō)”的補(bǔ)充和解釋。此外，H. F. W. Taylor 1977年發(fā)表的關(guān)于水泥基材料中孔隙率–固體粒子–強(qiáng)度關(guān)系的模型雖然可以用以對(duì)“中心質(zhì)假說(shuō)”中第2層次微結(jié)構(gòu)的解釋?zhuān)�事�?shí)證明其可以擴(kuò)大到第1層次。聯(lián)系對(duì)這3個(gè)層次進(jìn)行深層次的分析解讀，可以更好地理解“中心質(zhì)假說(shuō)”對(duì)現(xiàn)代混凝土技術(shù)研究與工程應(yīng)用的意義。

1 吳中偉的中心質(zhì)假說(shuō)

1.1 中心質(zhì)假說(shuō)的依據(jù)和初次模型

按系統(tǒng)論觀點(diǎn)，混凝土從微觀(原子尺度，10–1 nm量級(jí))、細(xì)觀(過(guò)去曾叫做亞微觀，粒子尺度，102 nm～1 nm量級(jí))、粗觀(混凝土集料尺度，毫米以上肉眼可見(jiàn)量級(jí))直到宏觀(構(gòu)件尺度，厘米以上量級(jí))等不同尺度的系統(tǒng)之間、每層系統(tǒng)中各組成部分之間都是相互聯(lián)系、相互作用的；每層系統(tǒng)的每一組成部分也都是一個(gè)子系統(tǒng)，其相互間也是相互聯(lián)系、相互作用的。脫離混凝土，單獨(dú)研究水泥水化機(jī)理的時(shí)代，確實(shí)對(duì)混凝土的應(yīng)用有過(guò)重要的指導(dǎo)意義，但是以外加劑廣泛使用為特征的現(xiàn)代混凝土比傳統(tǒng)的混凝土有了很大的變化，把水泥放在混凝土中聯(lián)系起來(lái)的研究才符合現(xiàn)代系統(tǒng)學(xué)理論和混凝土的實(shí)際�！盎瘜W(xué)組成通過(guò)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)”是系統(tǒng)的性質(zhì)之一。

吳先生1959年初次發(fā)表的中心質(zhì)假說(shuō)模型如圖1所示。

圖1所示模型是從粗觀尺度上的石棉水泥、鋼絲網(wǎng)水泥船和玻璃纖維增強(qiáng)水泥得到的啟發(fā)，延伸到其以下各不同尺度。

此前有關(guān)水泥水化機(jī)理的研究，主要孤立地關(guān)注于水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)組成及其本身性質(zhì)，卻忽視各組成之間相互影響和相互作用的內(nèi)在聯(lián)系；主要運(yùn)用線性思維研究各組成的共同作用；片面地看待和追求組成的“活性”�！爸行馁|(zhì)假說(shuō)”遵循“化學(xué)組成通過(guò)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)”這一系統(tǒng)論的規(guī)律，首次對(duì)水泥混凝土這種高度復(fù)雜體系內(nèi)部各層次各組成之間的關(guān)系給予辯證的解釋。其中對(duì)次介質(zhì)中“微中心質(zhì)”的描述主要是接受了當(dāng)時(shí)著名的蘇聯(lián)學(xué)者如Лебендер、Стлеркоф、Михайроф認(rèn)為“水泥水化后生成晶體而連生的結(jié)構(gòu)決定水泥強(qiáng)度”的觀點(diǎn)。本文前言中所述現(xiàn)在的MIT研究者們認(rèn)為他們“發(fā)現(xiàn)了C-S-H并非以前所認(rèn)為的晶體結(jié)構(gòu)”，其所針對(duì)的即上述觀點(diǎn)。然而，在西方國(guó)家，“C-S-H已被正確地描述為實(shí)際上是無(wú)定形的材料。把它設(shè)想為具有高于實(shí)際存在的結(jié)晶程度是錯(cuò)誤的�！�

圖2為T(mén)aylor在1980年來(lái)華講座引用的Mathe1972年所做水泥漿體與阿利特(硅酸三鈣固溶體)漿體XRD譜的局部。試樣水灰比為0.65，齡期為1a。為了和C-S-H做對(duì)比，只顯示Ca(OH)2 衍射3個(gè)特征強(qiáng)峰中的主強(qiáng)峰(d=0.263nm)和第3強(qiáng)峰(d=0.311nm)、第4強(qiáng)峰(d=0.182nm)，而未顯示第2強(qiáng)峰強(qiáng)峰(d=0.489nm)和2θ＜25o的其他特征峰；而且為了能看見(jiàn)C-S-H的弱峰，未顯示出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)圖2 中顯示的Ca(OH)2峰的全高度。在圖2中就阿利特來(lái)說(shuō)，反應(yīng)已完全；只占全部水化物25%的Ca(OH)2對(duì)X射線的衍射峰很強(qiáng)，表明有很高的結(jié)晶度；C-S-H的則很弱，有很寬的彌散區(qū)；和Ca(OH)相比，與本底的波動(dòng)很難區(qū)分。水泥試樣的亦如此。

1.2 修正的中心質(zhì)假說(shuō)模型

根據(jù)以上觀點(diǎn)，吳中偉修正了他的“中心質(zhì)假說(shuō)”如圖3 所示。

該模型修正之處主要有二：其一，初次模型的主要根據(jù)是蘇聯(lián)學(xué)者“水化硬化的水泥漿體中晶體結(jié)構(gòu)決定強(qiáng)度”的觀點(diǎn)，把“凝膠轉(zhuǎn)化成的晶體”稱(chēng)做微中心質(zhì)。認(rèn)為水泥的硬化是由凝膠向晶體轉(zhuǎn)化并發(fā)展而致密的結(jié)果。修正后的微中心質(zhì)為除C-S-H凝膠外的結(jié)晶態(tài)水化物。其二，原來(lái)把水和空氣列入微介質(zhì)中，修訂后，將孔(含空氣和水)稱(chēng)做負(fù)中心質(zhì)。至此，“中心質(zhì)假說(shuō)”就較完善地具有了以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

1.3.1 用系統(tǒng)論思維分析混凝土體系 中心質(zhì)假說(shuō)的提出，是用來(lái)說(shuō)明混凝土的組成和結(jié)構(gòu)。混凝土作為一種復(fù)合材料，是各級(jí)分散相分散在各級(jí)連續(xù)相中所得到的集合體。修正后的中心質(zhì)假說(shuō)將分散相命名為中心質(zhì)，將連續(xù)相命名為介質(zhì)，又將中心質(zhì)與介質(zhì)各分為大、次、微三個(gè)層次，因此分散相有大中心質(zhì)、次中心質(zhì)、負(fù)中心質(zhì)；相應(yīng)地分別分散在大介質(zhì)、次介質(zhì)和微介質(zhì)中。每一層次的介質(zhì)都包含下一層次的中心質(zhì)和介質(zhì)，各層中心質(zhì)和微介質(zhì)之間都存著相互影響和作用的界面。

1.3.2 提出中心質(zhì)效應(yīng)和效應(yīng)圈的概念 改變傳統(tǒng)上把界面看成只是對(duì)混凝土不利缺陷的觀點(diǎn)，提出中心質(zhì)效應(yīng)和效應(yīng)圈的概念。中心質(zhì)的效應(yīng)發(fā)生在各層次中心質(zhì)和介質(zhì)之間的界面。凡是中心質(zhì)和周?chē)�介質(zhì)所發(fā)生的吸附、化合、粘結(jié)、稠化、強(qiáng)化等一切化學(xué)、物理、物理化學(xué)效應(yīng)，均稱(chēng)為中心質(zhì)效應(yīng)，可以用宏觀性質(zhì)(如強(qiáng)度、密度、滲透性、黏度等)表示。中心質(zhì)效應(yīng)受中心質(zhì)和介質(zhì)的影響，而中心質(zhì)和介質(zhì)又各自受條件和環(huán)境的影響，并依時(shí)間而變化。相鄰各中心質(zhì)效應(yīng)范圍(效應(yīng)圈)會(huì)因重疊而造成效應(yīng)的疊加。以大中心質(zhì)(如混凝土骨料)為例進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。

圖4以3種情況加以說(shuō)明：當(dāng)中心質(zhì)間距離S大而有效效應(yīng)圈半徑xo小(S＞2xo)時(shí)，不發(fā)生效應(yīng)的疊加，勻質(zhì)性最差；如果效應(yīng)范圍大而中心質(zhì)間距小(S=2xo)，則效應(yīng)疊加，總效應(yīng)提高，整體勻質(zhì)性和物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)相應(yīng)提高，效應(yīng)圈和中心質(zhì)間距重合(S=xo)時(shí)，效應(yīng)最高，勻質(zhì)性最好。均勻性對(duì)混凝土質(zhì)量的重要是十分值得強(qiáng)調(diào)的，它決定著各種材料的使用效果、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)不考慮泵送工藝時(shí)，可以找到使效應(yīng)最高的骨料含量；對(duì)于高流態(tài)的泵送混凝土，因骨料處于懸浮狀態(tài)，S>2xo，則基本上不存在這種效應(yīng)。

1.3.3 將孔縫也稱(chēng)做負(fù)中心質(zhì)，提出可以量化和計(jì)算的模型“負(fù)”是因?yàn)榭卓p雖非實(shí)體，但在混凝土微結(jié)構(gòu)中是一種分散相，對(duì)整體性質(zhì)也會(huì)有利、弊的作用和影響，不同孔徑、不同形狀、不同狀態(tài)(開(kāi)口還是封閉)等的孔作用和影響是不同的。對(duì)孔結(jié)構(gòu)的深入研究證明，水泥石和混凝土中的孔既有負(fù)作用也有正作用，甚至有些孔沒(méi)有負(fù)作用，有些孔的正作用十分顯著�？撞粌H是混凝土必然的組分．而且是一種必需的組分。之所以必然，是因?yàn)樗�泥水化時(shí)產(chǎn)生凝縮，即水泥水化物的體積小于反應(yīng)物(水泥+水)原始的體積。凝縮在凝結(jié)前造成整體體積的減小，凝結(jié)后則形成毛細(xì)孔；之所以必須，是因?yàn)樗�泥的水化必須有多于生成水化物消耗的��，孔縫的存在正是為水泥的持續(xù)水化提供水源和供水渠道以及水化物的生長(zhǎng)的空間。因此在材料學(xué)的分類(lèi)中，混凝土在本質(zhì)上，不管有多么高的密實(shí)度，都屬于多孔材料。

研究和認(rèn)識(shí)孔結(jié)構(gòu)與體系性質(zhì)的關(guān)系，可以調(diào)整和利用孔結(jié)構(gòu)，減少其不利影響，增加其有利作用。例如，水在水泥漿體中孔徑小于0.1 nm的孔在–100℃以下才會(huì)結(jié)冰；孔的尺寸小于某—限度時(shí)，強(qiáng)度就不會(huì)因孔隙率的增加而降低，則比強(qiáng)度(強(qiáng)度與表觀密度的比值)會(huì)提高；一定尺寸與分布的封閉孔對(duì)水泥石、混凝土的某些性能(如抗凍性、抗?jié)B性)有益，而且還可以提高抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值；因此可以調(diào)整孔結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到某種所要求的性能，并可以用孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)改善水泥漿體和混凝土材料性能(例如用聚合物浸漬)。

孔對(duì)水泥漿體的負(fù)作用已為人們所熟知．并且很早就根據(jù)孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系，提出過(guò)各種強(qiáng)度公式，水泥、混凝土的強(qiáng)度隨孔隙率的增加而降低。但是更多的研究證明，孔隙率并非影響強(qiáng)度的唯一因素。在很多情況下，孔尺寸的級(jí)配表現(xiàn)出更為重要的影響，而孔形與孔的排列方向在不同作用方向的荷裁下也使混凝土表現(xiàn)出不同的承裁能力。例如當(dāng)孔隙率相同時(shí)，平均孔徑小的強(qiáng)度高，而孔徑小于某種限度時(shí)，則對(duì)強(qiáng)度無(wú)影響；各種尺度的孔對(duì)強(qiáng)度降低的影響不同；混凝土的表觀密度則只與孔隙率有關(guān)。與其他性能的關(guān)系．也存在一定的規(guī)律。

吳中偉在中心質(zhì)假說(shuō)中提出各孔級(jí)的分孔隙率ei及其影響因素xi兩個(gè)概念，繪制出孔隙率–孔級(jí)和影響系數(shù)–孔級(jí)的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5所示)，并提出得到輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的數(shù)學(xué)模型：

Σei·xi=min(各級(jí)分孔隙率與影響系數(shù)乘積之和最小) 則c=max(強(qiáng)度最高)Σei=max(各級(jí)分孔隙率之和最大) 則ρ=min(表觀密度最小)同時(shí)滿足二式時(shí)，則可以得到最優(yōu)物理力學(xué)性質(zhì)的輕質(zhì)硬化體。例如輕質(zhì)高強(qiáng)，或輕質(zhì)低滲透混凝土。

1.4 用中心質(zhì)假說(shuō)解釋混合材在水泥水化及微結(jié)構(gòu)形成中的作用

圖6 為有礦物摻和料/混合材參與的延伸中心質(zhì)假說(shuō)模型。

圖6表明，摻入的礦物摻和料顆粒取代一部分熟料作為次中心質(zhì)，伴隨次中心質(zhì)中的未水化熟料顆粒的持續(xù)水化，活性摻和料次生水化物又可補(bǔ)充納米級(jí)的微中心質(zhì)和微介質(zhì)，使聚集密度不斷增大。

混凝土的各級(jí)中心質(zhì)和介質(zhì)的發(fā)展和相互間作用的效應(yīng)都很重要。如果脫離混凝土，水泥漿體完全水化生成凝膠，將無(wú)任何工程意義。本文前言中所述MIT的研究和理念與此一致。

2 H.F.W.Taylor的孔隙率-顆粒組成關(guān)系的等強(qiáng)度曲線模型對(duì)中心質(zhì)說(shuō)的佐證和補(bǔ)充

2.1 Feldman-Beaudoin 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

1976 年加拿大建筑科學(xué)研究院的R. Feldman 和J. Beaudoin 以孔隙率橫座標(biāo)，抗壓強(qiáng)度的對(duì)數(shù)為縱座標(biāo)作圖(圖7)。

圖7中的AB線是室溫下不同水灰比的水泥漿體水化曲線。左端水灰比很低，大約為0.2；右端水灰比很高，大約為0.8。很明顯，高水灰比的孔隙率大，從而強(qiáng)度低。但是未必強(qiáng)度只決定于孔隙率，還決定于孔徑分布，也可說(shuō)是顆粒分布。CD線被稱(chēng)為高密度線，指的是顆粒具有高的真密度，與結(jié)晶度以及顆粒尺寸有關(guān)。CD線的右下角是經(jīng)壓蒸不含SiO2的水泥漿體數(shù)據(jù)，主要由像α-C2S水化物這樣尺寸較大，真密度也較大的晶體所構(gòu)成。其強(qiáng)度比常溫養(yǎng)護(hù)的水泥漿體的強(qiáng)度低。

CD線的左上角的數(shù)據(jù)來(lái)自D.Roy的熱壓水泥。與右下角相似，這也是由較大的顆粒構(gòu)成，其中包括未反應(yīng)完的熟料和晶體水化產(chǎn)物，但孔隙率卻非常低。在很低孔隙率的情況下，這種高密度、大晶體物質(zhì)的強(qiáng)度高于常溫養(yǎng)護(hù)的水泥漿體的強(qiáng)度。Feldman和Beaudoin這樣解釋他們的結(jié)果：為了得到高強(qiáng)度，需要2個(gè)條件：第一，顆粒本身強(qiáng)度要高，第二，顆粒很堅(jiān)固地結(jié)合在一起。如果顆粒過(guò)大，則強(qiáng)度會(huì)低，因?yàn)檎辰游锖苌�；如果顆粒過(guò)小，強(qiáng)度也不會(huì)高，但比前面的要好些。因此，對(duì)高孔隙率的情況，將顆粒結(jié)合在一起是重要問(wèn)題，要得到高強(qiáng)度就需要細(xì)顆粒，而往往這是低密度的無(wú)定形顆粒；低孔隙率下顆�？康煤芙�，則使物質(zhì)結(jié)合在一起的問(wèn)題不是很重要，顆粒本身的強(qiáng)度更重要，要得到高強(qiáng)度只需要用高密度的大晶體。因此Feldman和Beaudoin猜想，對(duì)于任何孔隙率。都可以有這兩種顆粒的最佳配合，隨著孔隙率的增加，就需要增加低密度的多晶顆粒數(shù)量。通常制造壓蒸產(chǎn)品時(shí)，要摻摻和料，例如用水泥通常加某種活性二氧化硅。曲線EF為摻有火山灰質(zhì)物質(zhì)的壓蒸水泥，如粉煤灰。這時(shí)所得強(qiáng)度高于用水泥漿體AB或高密度物質(zhì)CD所能達(dá)到的強(qiáng)度。已接近達(dá)到這兩類(lèi)顆粒和孔隙率的最佳配合。

2.2 換一種處理數(shù)據(jù)方法的效果

世界著名水泥化學(xué)家、英國(guó)蘇格蘭阿伯丁大學(xué)化學(xué)系教授H. F. W. Taylor根據(jù)R. Feldman和J. Beaudoin的試驗(yàn)結(jié)果和猜想做成“孔隙率-粒子級(jí)配-強(qiáng)度關(guān)系”的模型如圖8所示。

圖8所示為一組等強(qiáng)度曲線，橫坐標(biāo)“粗大、致密和結(jié)晶物質(zhì)所占比例”自左至右增加，只有定性而無(wú)定量，為方便量化與分析，現(xiàn)設(shè)為H粒子(Hard grain)/L粒子(Lightgrain)，縱坐標(biāo)為孔隙率。圖8中AB、CD和EF各線與圖7中的相對(duì)應(yīng)；按Taylor所說(shuō)，可以把水泥漿體看成微晶混凝土來(lái)分析。

由圖8可以看出：

1) 混凝土達(dá)到相同強(qiáng)度，會(huì)有不同孔隙率和固體顆粒大小的組合：顆粒組成相同時(shí)，強(qiáng)度隨孔隙率的增大而下降；

2) 中間向右下方傾斜的虛線XY為一定強(qiáng)度下孔隙率極大值的連線，該連線與等強(qiáng)度曲線的交點(diǎn)即達(dá)到該強(qiáng)度時(shí)最大孔隙率對(duì)應(yīng)的H/L比例。該值隨孔隙率的下降和強(qiáng)度的提高而向右下方呈線性變化；表明孔隙率越低的高強(qiáng)混凝土所需H粒子越多；當(dāng)孔隙率相同時(shí)，強(qiáng)度隨H/L比例增大而增高，直到超過(guò)XY，則強(qiáng)度開(kāi)始下降到再一次達(dá)到與起始等強(qiáng)度曲線相交，H/L比例再繼續(xù)增加時(shí)，強(qiáng)度則隨之下降；

3) H/L比例值在一定孔隙率橫坐標(biāo)與等強(qiáng)度曲線相交的兩點(diǎn)之間的變動(dòng)范圍，為可使該孔隙率下的強(qiáng)度不低于該所相交的等強(qiáng)度曲線上的強(qiáng)度范圍，例如在圖示①—①之間的范圍內(nèi)強(qiáng)度始終高于20MPa，每一孔隙率下達(dá)到相同強(qiáng)度都有其所對(duì)應(yīng)的○—○之間的距離，即H/L比例的范圍。依此類(lèi)推，在此二點(diǎn)之外，則無(wú)論H/L比例增大還是減小，強(qiáng)度都會(huì)下降；

4) 在常規(guī)的制作工藝下，該等強(qiáng)度曲線隨強(qiáng)度的增高而彎曲度增大，表明顆粒度對(duì)空隙率敏感性的提高；當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)160 MPa以后等強(qiáng)度曲線彎曲度減小，表明顆粒度對(duì)空隙率敏感性下降；而孔隙率很低的高強(qiáng)所需要的顆粒則基本上都是粗大、致密的晶體物質(zhì)，例如CD線所代表的壓蒸混凝土，其主要水化物是硬硅鈣石和托勃莫來(lái)石；

5) CD線表明，壓蒸混凝土中化學(xué)鍵增多，而水泥未水化的顆粒很多，H/L級(jí)配已不再重要，一定組成的漿體，其強(qiáng)度主要取決于孔隙率。

6) EF 線是摻入粉煤灰后壓蒸的結(jié)果，由于引入較大H/L比的顆粒，在孔隙率約35%～59%之間，各相同孔隙率對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度均比AB和CD的得到 提高。

該模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Taylor等強(qiáng)度曲線)也定性地表明，水泥水化程度和C-S-H凝膠數(shù)量并非水泥性質(zhì)的唯一因素，可解釋為什么水膠比很低的高強(qiáng)混凝土，水泥水化程度很低(水膠比0.2 以下)，但可以得到很高的抗壓強(qiáng)度，例如西雅圖雙聯(lián)廣場(chǎng)，水膠比低于0.23，90d抗壓強(qiáng)度達(dá)到133MPa (28抗壓強(qiáng)度113MPa)。

重要的是不同固體顆粒和孔隙率各自組成的級(jí)配及其相互間的關(guān)系，和吳中偉的中心質(zhì)假說(shuō)一起，可謂同時(shí)代的經(jīng)典之作，對(duì)水泥基材料的研究和技術(shù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

3 對(duì)效應(yīng)來(lái)源的分析和理解

3.1 水泥漿體微結(jié)構(gòu)和主要作用力

曾經(jīng)聽(tīng)錢(qián)學(xué)森說(shuō)過(guò)：固體物質(zhì)磨細(xì)到一定程度后，本身就是結(jié)構(gòu)。所謂結(jié)構(gòu)就是由相互聯(lián)系、相互作用的各部分或單元搭配組成具有一定性質(zhì)或功能的整體，其本身就形成結(jié)構(gòu)。T. C. Powers曾介紹奧地利學(xué)者Cžernin的實(shí)驗(yàn)：1) 100g的粗石英砂和20g的水的混合物并無(wú)強(qiáng)度；2)當(dāng)將石英砂磨至“水泥的細(xì)度”時(shí)，同樣的配比表現(xiàn)了某些強(qiáng)度；3)當(dāng)將石英砂磨細(xì)到比表面積達(dá)2000m2/kg時(shí)，擠壓成型的園柱體能承受10kg以上的荷載。

這是因?yàn)榻M成固體物質(zhì)內(nèi)部原子間的引力平均到周?chē)�原子而平��，而在裸露的表面則都會(huì)有不飽和的能量場(chǎng)而存在吸附力，比表面積越大，顆粒間vander Waals半徑越小，吸附力越大。這種吸引力就是van der Waals力。van der Waals力是兩原子間的作用力。當(dāng)原子間的距離縮小時(shí)，引力和斥力都隨之增大。該作用力和原子半徑r 有關(guān)，引力∝1/r6，斥力∝1/r12，在一定范圍內(nèi)，合力大于0，引力主導(dǎo)；當(dāng)距離減小達(dá)一定程度時(shí)，引力和斥力平衡，合力為0；距離進(jìn)一步再減小，斥力就主導(dǎo)。合力為0的間距do稱(chēng)為van der Waals 半徑。當(dāng)而原子相同時(shí)，do=2r。

“水化水泥大部分是膠體，并且在構(gòu)成膠體部分的全部分子數(shù)中�？赡苡�1/2～1/3是暴露在表面的。從原子的尺度來(lái)看，顆粒的表面，也就是空隙的邊界，都是振動(dòng)著的原子的過(guò)渡帶，因此表面這一名詞，在這里的應(yīng)用并不包含傳統(tǒng)的幾何概念。所謂邊界，既不是尖銳，光滑的，也不是靜止的。”固體顆粒比表面積越大，相互間距離越是靠近。粒子尺寸越小，其間的吸引力越大；當(dāng)粒子間距小于van der Waals半徑時(shí)，產(chǎn)生斥力，粒子間距越小，斥力越大。

對(duì)比一下硬化水泥漿體中各粒子的比表面積(表1)。

比表面積比水泥凝膠的小3個(gè)數(shù)量級(jí)的非活性石英砂粉經(jīng)擠壓成型后也能承受10kg以上的荷載，即形成一種聚集整體的結(jié)構(gòu)。將其以一定量摻入水泥后，二者顆粒之間自然會(huì)產(chǎn)生相互吸引的van der Waals力，和凝膠很好地聚集成整體。表中所有可作為水泥漿體材料的物質(zhì)，活性的和非活性的，可因不同比表面積的差別與各自顆粒的分布，都能作為第Ⅱ?qū)哟魏偷冖髮哟蔚闹行馁|(zhì)，并生成次生凝膠增加微介質(zhì)。水泥凝膠巨大的比表面積足以容納某些活性細(xì)摻和料和大摻量的礦物摻和料。正像MI的研究者們所希望的“這種理解能使材料科學(xué)家與工程師們?cè)诜肿铀�平上改變C-S-H粒子，以發(fā)展減少環(huán)境足跡的、更強(qiáng)、更耐久的混凝土�！�

從表2可見(jiàn)，所有和硅酸鹽有關(guān)系的元素vander Waals半徑，絕大多數(shù)都不超過(guò)0.25 nm，而在上述水泥漿體中各粒子比表面積來(lái)看，即使比表面積達(dá)到2×106 m2/kg 的凝膠粒子(單個(gè)粒子尺度為100 nm～1 nm量級(jí))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些元素的van der Waals半徑。也就是說(shuō)，在水泥中引入按當(dāng)前粉磨能力所能達(dá)到多么細(xì)的顆粒都會(huì)增大內(nèi)聚力，而不會(huì)產(chǎn)生相斥的力。

3.2 影響膠凝物質(zhì)膠凝性因素的分析

研究機(jī)理的目的是掌握影響宏觀性質(zhì)和行為的因素，以便不斷取得技術(shù)的進(jìn)步。對(duì)硅酸鹽水泥水化機(jī)理，很長(zhǎng)時(shí)期采用硅酸鹽水泥熟料純的單礦物(主要是C3S和C3A)進(jìn)行研究，盡管至今對(duì)原子尺度上的微結(jié)構(gòu)仍不清楚，而已有研究的觀點(diǎn)卻一直在定性地指導(dǎo)著工程技術(shù)的應(yīng)用。然而，混凝土的微結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的形成所依賴的環(huán)境和時(shí)間是不確定的，使得“在C-S-H聚集體的細(xì)觀上對(duì)這種材料所知甚微”。例如水泥科學(xué)家們?yōu)榱私夤杷徕}水化物產(chǎn)生強(qiáng)度的原因，曾致力于C-S-H中[SiO]4結(jié)合度(conectivity，每個(gè)硅氧四面體所結(jié)合的四面體數(shù))的研究。猜想結(jié)合度隨水化齡期而增大，強(qiáng)度也越高，但是結(jié)果卻令人失望：其間沒(méi)有相關(guān)性。MIT混凝土持續(xù)性中心的研究者們的研究盡管還存在一些不足之處，而畢竟在客觀上是對(duì)吳中偉的中心質(zhì)假說(shuō)和Taylor的不同尺度粒子與孔隙率組合與混凝土強(qiáng)度關(guān)系模型的一種佐證。

① 前述MIT混凝土持續(xù)性中心的論文作者們認(rèn)為，“多分散性和粒子尺寸組合決定內(nèi)聚力”用蒙特卡洛模擬法建立粒徑3～3.5 nm顆粒的不同聚集模型，以其聚集密度(packing density)和用納米壓痕法計(jì)算的壓痕模量與聚集率(packing fraction)建立關(guān)系，見(jiàn)圖9和圖10。

“闡明C-S-H單元在原子尺度上內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的幾何無(wú)序排列，證明這種材料并非以前所認(rèn)為的晶體結(jié)構(gòu)。”“在新的工作中，研究者發(fā)現(xiàn)，C-S-H粒子本身也有無(wú)序性。粒子是以任意尺寸形成的，并非均一的球形，而這種納米尺度單元的尺寸多樣性，導(dǎo)致一種致密的、無(wú)序團(tuán)聚的粒子群，其所形成的是較強(qiáng)的膠凝材料漿體�！� 證明了“混凝土強(qiáng)度的來(lái)源就是水泥中多樣性納米尺寸粒子優(yōu)化的聚集密度”。圖9 為該模擬的試樣示意。圖10為聚集率和多分散度的關(guān)系。聚集率

，多分散度以平均粒徑表示，單粒徑顆粒聚集時(shí)的分散度為0。實(shí)驗(yàn)中的初始值取單粒級(jí)顆粒體系隨機(jī)裝填聚集率為0.64。可見(jiàn)聚集率隨多分散度的增大而呈非線性增大。

圖11 為納米壓痕和聚集率的關(guān)系。

由圖11可見(jiàn)，聚集率越大，即聚集密度越大；分散度也越大，即顆粒尺寸多樣性也越大，則納米壓痕模量也越大 ，即強(qiáng)度也越高。但是從實(shí)驗(yàn)值來(lái)看，離散性也越大。這符合高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度離散型較大的規(guī)律。

②從微中心質(zhì)和微介質(zhì)的層次來(lái)看，根據(jù)S.Daimond用放大80000倍的掃描電子顯微鏡觀察，水化水泥中的等大粒子C-S-H尺寸在100 nm數(shù)量級(jí)，各種尺寸緊密聚集在一起形成凝膠體，粒子互相之間產(chǎn)生很大的吸引力，把不同尺寸、結(jié)晶度和不同硬度的其它粒子膠結(jié)在一起，組成具有強(qiáng)度的整體，這應(yīng)當(dāng)就是硅酸鹽水泥膠凝性的本質(zhì)。影響膠凝性的因素主要是凝膠粒子的聚集密度；影響凝膠粒子聚集密度的因素和漿體的水灰比(孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)度)有關(guān)，和不同尺寸粒子的級(jí)配有關(guān)，和成型工藝有關(guān)。

③由以上分析，“化學(xué)組成通過(guò)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)”，從水泥基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)研究水泥的水化機(jī)理是研究方法的進(jìn)步，而化學(xué)組成仍是基礎(chǔ)。從化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)離子半徑大于0.1031nm時(shí)，該元素的化合物就可具有膠凝性，硅、鐵、鉻、錳等鹽類(lèi)的化合物，當(dāng)堿率大于1時(shí)才有膠凝性。按周期律推斷，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，第二族元素氧化物形成的鹽類(lèi)的膠凝性質(zhì)如表3所示。

從表3可見(jiàn)，偶數(shù)類(lèi)堿土金屬氧化物可形成有膠凝性的鹽，而奇數(shù)類(lèi)堿土金屬氧化物所形成的鹽無(wú)膠凝性。但是只有當(dāng)離子半徑較大時(shí)才能在高溫下形成具有活性的配位數(shù)，所以，Be的酸性氧化物不具有膠凝性，Ca，Sr、Ba的硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵酸鹽、磷酸鹽都具有很好的膠凝性。這也就是說(shuō)，對(duì)那些“任何不具備化學(xué)活性的物質(zhì)磨細(xì)后都能充當(dāng)大摻量礦物摻和料”的觀點(diǎn)是有必要質(zhì)疑的。

4 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

1) 按中心質(zhì)假說(shuō)的負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)觀點(diǎn)，孔隙率不足以說(shuō)明一切，相同孔隙率下，不同尺寸孔隙的級(jí)配、孔的幾何形狀、狀態(tài)(開(kāi)放或封閉)、孔在空間分布的勻質(zhì)性等都會(huì)影響宏觀行為。而該模型對(duì)孔和固體粒子的關(guān)系只考慮孔隙率，是將孔隙率納入孔結(jié)構(gòu)中？還是增加孔隙率之外的孔隙特征作為第三個(gè)坐標(biāo)？如何特征化以量化包括孔隙率和多項(xiàng)孔特征的孔結(jié)構(gòu)？現(xiàn)有測(cè)孔的各種技術(shù)均存在其局限性，距離完整的孔結(jié)構(gòu)研究尚距離很遠(yuǎn)。至今尚無(wú)對(duì)Taylor等強(qiáng)度曲線的縱坐標(biāo)做孔結(jié)構(gòu)的定量研究。

2) 1989年我在國(guó)家建材行業(yè)科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目“水泥漿體微結(jié)構(gòu)與宏觀行為關(guān)系的研究及定量分析“的研究中”在吳中偉指導(dǎo)下，將Taylor等強(qiáng)度模型現(xiàn)有橫坐標(biāo)設(shè)為H粒子/L粒子進(jìn)行量化的檢測(cè)與研究，對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行了初步的量化，研究中曾解決水泥硬化漿體對(duì)X-射線衍射的困難：其一，由國(guó)家建材院水泥研究所物理室楊人和協(xié)作，對(duì)無(wú)法取得純晶體的AFt，參與研究的國(guó)家建材院楊人和用改進(jìn)的Ruland 法計(jì)算出其X 射線衍射定量分析所需的k值；其二對(duì)同樣無(wú)法取得純晶體試樣的斜發(fā)沸石，用陽(yáng)離子交換的化學(xué)分析方法進(jìn)行了定量；其三是用清華大學(xué)工程物理系教授陶坤開(kāi)發(fā)的分峰軟件分辨出在2θ=30左右CaCO3、C3S、C2S等重疊的衍射峰。所得2000多組數(shù)據(jù)回歸得到總體規(guī)律符合Taylor等強(qiáng)度曲線的關(guān)系，但離散度很大，需要研究改進(jìn)試驗(yàn)方法，取得更大量數(shù)據(jù)支持。而且，仍未能將孔隙率進(jìn)一步改為孔結(jié)構(gòu)。尚需研究如何進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)的特征化和量化，以建立合理的孔結(jié)構(gòu)模型。

3) 對(duì)吳中偉“中心質(zhì)效應(yīng)”進(jìn)一步發(fā)展需要研究的問(wèn)題為：

a) 中心質(zhì)效應(yīng)圈的范圍xo和中心質(zhì)距離s如何確定?

b) 關(guān)于負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)，孔徑分布(孔級(jí)配)的劃分及其影響系數(shù)如何確定？劃分有害程度的根據(jù)是什么？將50～200 nm定為“有害孔”是否合適？趙福?提出的問(wèn)題：不同層次“中心質(zhì)-介質(zhì)”聚集體結(jié)構(gòu)是否有自相似性？不同層次“中心質(zhì)-介質(zhì)”聚集體結(jié)構(gòu)性質(zhì)隨時(shí)間變化的規(guī)律如何？和水化進(jìn)程的關(guān)系如何？如何影響粗觀層次的行為？

c) Taylor的“孔隙率-顆粒級(jí)配-強(qiáng)度”模型未提到界面問(wèn)題，按“中心質(zhì)效應(yīng)假說(shuō)”的觀點(diǎn)，各層次中心質(zhì)效應(yīng)的來(lái)源于界面；但是該等強(qiáng)度曲線所示規(guī)律卻未見(jiàn)與界面直接有關(guān)：如何特征化和量化界面結(jié)構(gòu)及其與效應(yīng)之間的關(guān)系？

d) 混凝土生產(chǎn)的核心問(wèn)題是拌和物配合比設(shè)計(jì)�；炷�土拌和物配合比最早是按��(qiáng)度要求設(shè)計(jì)，發(fā)展到20世紀(jì)90年代以來(lái)，按耐久性要求設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代混凝土的發(fā)展，按施工性進(jìn)行混凝土拌和物配合比設(shè)計(jì)成為趨勢(shì)。流變性能的研究也就日顯其重要性。徐永模認(rèn)為，中心質(zhì)假說(shuō)也適合于對(duì)新拌混凝土流變行為的研究。圖5中心質(zhì)效應(yīng)的疊加的三種情況之外，還應(yīng)有一種情況，即顆粒間距離小于效應(yīng)圈(極限狀態(tài)為0)如圖12所示。在新拌混凝土中就會(huì)有這種情況：集料(大中心質(zhì))的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)大介質(zhì)一起流動(dòng)，不同尺寸和不同性質(zhì)的中心質(zhì)之間會(huì)有不同的效應(yīng)。用中心質(zhì)效應(yīng)假說(shuō)研究拌和物的流變性能，有望找到按流變性能優(yōu)化混凝土拌和物配合比的新技術(shù)。

5 結(jié)論

1) 吳中偉早在60年前就按整體論的思維方法前位地提出“水泥基復(fù)合材料中心質(zhì)假說(shuō)”的物理模型；

2) R. Feldman and J. Beaudoinshiyan的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和H. F. W.T aylor根據(jù)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的水泥基材料孔隙率-固體顆粒性質(zhì)組成-強(qiáng)度關(guān)系的模型，在客觀上對(duì)“中心質(zhì)假說(shuō)”做了一種詮釋和佐證；

3) MIT混凝土持續(xù)性中心的學(xué)者們用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)水泥如何賦予混凝土以強(qiáng)度進(jìn)行了納米級(jí)的研究，實(shí)際上對(duì)第三層次中心質(zhì)效應(yīng)的來(lái)源提供了實(shí)驗(yàn)和理論的解釋?zhuān)?/p>

4) 按照“中心質(zhì)假說(shuō)”，可以解釋礦物摻和料在混凝土中的作用。但是“化學(xué)組成通過(guò)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)”，化學(xué)組成畢竟還是前提，因此并非任何工業(yè)廢棄料磨得很細(xì)是都可以隨便用的；

5) 吳先生的“中心質(zhì)假說(shuō)模型”以及Tailor的等強(qiáng)度模型和MIT關(guān)于多分散性納米顆粒聚集體模型在水泥基材料的研究上可以互通，但都還需要進(jìn)一步深入研究，關(guān)鍵是要找到更有效的方法。但是并不妨礙我們發(fā)揮自己的想象力和提出問(wèn)題。在繼續(xù)研究中不斷提出問(wèn)題，再進(jìn)行深層次的研究，可望得到接近于材料設(shè)計(jì)量化的模型。