Colloid model of C−S−H and implications to the problem of creep and shrinkage

Abstract

A model for the structure of calcium silicate hydrate (C−S−H) at the nanometer level (hereafter referred to as “nanometer structure”) is described, along with its possible contribution to the understanding of the mechanisms of drying shrinkage and creep in cement paste. The model was developed in two stages and describes C−S−H gel as an aggregation of precipitated, colloidal-sized particles. It was developed in an attempt to account for a number of physical characteristics of C−S−H in mature pastes, including density, surface area, fractal character, pore structure and size of individual particles. In this article the model is extended to include an hypothesis for the mechanisms of viscous deformation under load and/or during drying. As with the original model, the extension proposed here is intended to explain as much apparently unrelated data as possible. Aging (the part unrelated to the increasing amount of hydration products with time) is a process of increasing the number of bonds between globules of C−S−H, causing the C−S−H to become stiffer, stronger, and denser. We propose that deformation is the result of the globules moving under stress or drying, but the mechanism or type of rearrangement of the C−S−H particles [globules] depends on age and on whether or not the sample is dried or loaded or both.

Résumé

Est ici décrit un modèle de structure d'hydrate de silicate de calcium au niveau du nanomètre (ci-après désigné sous le nom de structure nanomètre), et sa contribution possible à la compréhension des mécanismes du retrait dû au séchage, et du fluage de la pâte de ciment. Le modèle a été développé en deux étapes et décrit le gel de C−S−H comme un agrégat des particules précipitées et de taille colloïdale. Il a été développé afin d'essayer d'expliquer un certain nombre de caractéristiques physiques du C−S−H dans les pâtes matures, incluant la densité, la surface, le caractère fractal, la structure des pores et la taille des particules individuelles. Dans cet article, le modèle est élargi pour inclure une hypothèse sur les mécanismes de la déformation visqueuse sous charge et/ou pendant le séchage. Comme avec le modèle original, l'extension proposée ici ambitionne de donner une explication à autant de données non reliées que possible. Le vieillissement (la partie non liée à la quantité croissante de produits d'hydratation dans le temps) est un processus d'augmentation du nombre de liaisons entre les globules de C−S−H, permettant au C−S−H de devenir plus raide, plus fort, et plus dense. Nous suggérons que la déformation soit le résultat du déplacement des globules sous la contrainte ou le séchage, mais le mécanisme ou le type de remise en ordre des particules de C−S−H [globules] dépend de l'âge et du fait que l'échantillon soit séché ou compressé ou bien les deux à la fois.