混凝土的微观与巨观行为对结构物的强度及耐久性之影响.docx
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混凝土的微观与巨观行为对结构物的强度及耐久性之影响
混凝土的微觀與巨觀行為對結構物的強度
及耐久性之影響
林維明
台北市水利技師公會理事
明新技術學院土木系副教授
摘要
本文主要目的在剖析混凝土的微觀與巨觀行為，及其對混凝土結構體的強度與耐久性所產生的影響，並由921集集大地震中所發現的混凝土結構物破損現象中提出預期達到優質的混凝土品質應有之處理方式，以利確保優越的混凝土結構體品質。
一、前言
當我們看見國內外許多使用混凝土建造的重大土木及建築工程，例如剛完工跨越高屏溪跨度長達510公尺的斜張橋。
單從造型就讓人充分感受到其張力之美;高雄85層樓高348公尺之國際廣場大樓;台北市交通便捷的捷運系統;及台北及高雄地區許多超高層大樓;另外像通過英法兩國間英吉利海峽的海底隧道;聯絡日本本國與北海道的或青函隧道，以及與四國連絡跨越瀨戶內海的許多不同造型之橋梁，如明石及瀨戶大橋均具有多重盤旋之引道，更是展現出混凝土變化多端的美與力；還有像遍佈全球各地的許多摩天大樓、機場、港灣、及水壩等建設之宏偉與壯觀等。
在欣賞之餘一定相當讚揚土木工程師應用自然界廣大的能源，以優異的科學技術建造出結合「力與美」宏偉的土木工程，係以追求與自然或人造環境相調合，力求達到便利人類生活的目的之卓越貢獻。
有不少美觀的土木工程雖已有幾百年的年齡，例如大陸河北省之趙州橋已高齡1390年，盧溝橋約有900多年，台北市的台灣銀行總行及英國牛津與劍橋大學的校舍都是超過百年的使用，但至今仍堅固如初，不會發生倒塌現象。
相對於人的壽命顯得相當地耐久，而且其造型也不斷在創新，常會帶給人引起一陣驚奇與稱讚之感。
然而1999年9月21日1時47分15.9秒曾在台灣中部地區發生一次芮氏地震規模7.3級的強烈大地震，造成無數國人生命財產之損失，舉世共感哀傷，其中房屋全倒者達26,642間，而半倒者有24,177間，而其他土木工程如橋梁、道路、水壩、維生管線、及港灣設施等均有相當大的災害損失。
其次像台北市捷運帽梁、及北二高的碧潭橋梁產生龜裂、許多海砂屋發生鋼筋腐蝕和混凝土剝落現象以及許多濱海之混凝土建築與橋梁結構物比預期使用年限提早發生劣化現象等事實存在，使得混凝土原先所具有耐久性之美譽受到相當大的質疑。
其實混凝土如同人一樣具有生命。
如圖1所示，混凝土是由膠結材料與填充料等組成材料作適當的組合並應用科技與藝術方式所創造出的一種複合材料。
此項行為如同人需透過男女間的愛情結合才能形成胎兒、嬰兒及長大成人一樣。
而以優生學之觀點，如今已經可以透過微觀分析生命之基因，利用超音波儀器瞭解胎兒的成長以及透過精密儀器評估潛在之病理基因，例如使用χ光照相分析骨頭斷裂特性、及利用掃瞄儀器調查癌細胞可能擴散的情形、以及應用一些溫度計、體重計、及血壓儀器等了解外觀可能發生病變，以利分析判斷可能之病因，而能準確的提供治療方法。
同樣的道理，混凝土技術演進的基因，以及劣化的原因也是可以透過微觀與巨觀之儀器加以探討，以利提出有效之防範策略，及達到耐久性之目標，這方面之技術將在本文中加以詮釋。
二、混凝土技術之演進
混凝土材料的技術發展有極為悠久的歷史。
基本上混凝土是由水泥、水及骨材等三種以上性質不同的材料所組成的。
而水泥是一種膠結性材料。
這種材料與水或水溶液拌合後所形成之漿體能膠結其他物料，而經過一系列的物理與化學反應後，會逐漸硬化並形成具有強度的實體。
通常膠結性材料可分為有機及無機兩大類。
瀝青和各種樹脂及高分子材料均是屬於有機性膠結材料。
而水泥類為一種無機性材料。
而若按硬化條件又可分為水硬性和氣硬性兩種。
前者是與水拌合後，可在水中及空氣中硬固者，一般通稱為水泥。
而後者是僅能在空氣中硬固者，如石灰、石膏等材料。
隨著用途與性能需求及科技之發展，目前水泥的品種已有一百多種。
而早在西元前2,000-3,000年，我國、埃及、希臘及羅馬等國家就已經開始學會利用石膏和石灰製作砂漿，例如古埃及的金字塔，中國著名的萬里長城及許多宏偉的古建築物均為實例。
我國有關石灰的應用最早可上溯到公元前七世紀的周朝。
一直到西元元年初期，古羅馬與希臘人發現在石灰中摻加一些火山灰，不僅可以提高強度，而且可提高耐水之侵蝕能力，例如古羅馬的龐貝城和廟宇等著名古建築就是實蹟。
這種火山灰的產地是在義大利的Pozzoli地區。
所以後來就將凡是屬於這類性質的礦物材料都稱為卜作嵐材料（Pozzolana）而沿用至今。
我國古建築所用的三合土，即石灰與黃土或另加細砂，實際上就是石灰與火山灰混合材料。
隨後又發現可在石灰中摻加碎磚或癈陶器等磨細粉末及鍛燒黏土也照樣可以達到水硬性。
由於天然的火山灰不易找到，因此人類開始研究利用人工加以製造。
1824年英國阿斯普丁（J.Aspdin）首先取得卜特蘭水泥生產的專利權，由於其成分中含有高量的矽酸鈣，因此不僅可在水中硬固，且能長期抗水，強度極高。
首度大規模應用實例是1925-1943修建英國泰晤河隧道工程。
自從卜特蘭水泥問市後，其應用性日益普遍，對工程建設貢獻很大。
隨後科學家們進一步利用精密儀器研究水泥及其他膠結性材料的礦物組成和水化機理而發展水泥生產的新工法，擴大水泥的新品種，而且在1907-1909年又發明以低鹼性鋁酸鹽為主要成分的鋁質水泥，這種材質具有早強快硬之特性。
因此膠結性材料開始進入蓬勃發展階段，以利可以滿足隨著社會生產力提高，日益增加的各項工程建設和人民生活的需求為研究與發展應用之目標。
在使用卜作嵐材料方面，天然的卜作嵐材料例如在義大利至今仍大量使用。
根據統計資料顯示其水泥產量有40﹪是使用摻加25﹪火山灰的天然卜作嵐材料製成的。
1971年已在挪威開始使用矽灰，1863年歐洲開始生產高爐石水泥，而1972及1982分別在加拿大及美國開始使用高爐石水泥，而1948年美國在建造HungryHorse水壩時就開始使用飛灰。
矽灰、高爐石粉及飛灰均為工業副產品，而摻加於混凝土中可取代水泥用量不但較為經濟，而且其所含矽酸鹽較多，易與水泥水化的生成物氫氧化鈣及水泥中所含鹼性材料反應形成緻密性的矽酸鈣水化物及填充微結構中之孔隙量能達到強度高及耐久性等優越性（圖2-圖5）。
因此其使用已漸趨普遍。
美國混凝土學會曾在1995年製定新規範明定必須填加這種礦物摻料以獲得優質之混凝土。
由於在混凝土的生產及科技研究方面過程中，已經累積相當豐富的知識，而近年來在材料科學之發展下，對於混凝土材料有更深入之探討，其特點與趨勢可歸納為：
（1）對於混凝土材料行為的認識已逐漸深入，由巨觀進入微觀，並逐漸揭露出其性能與內部結構之關係，因此發展許多水泥新品種，擴大其應用領域，也提供學理上之依據。
（2）對於混凝土材料在生產過程中之規律性及水泥水化硬固過程之瞭解上，已由實務經驗提昇至具有理論基礎。
由僅以試驗上發現的現象深入到對其特性之解析。
因此可以有效的控制水泥料與混凝土的生產程序及採用新的工法與新的技術具有理論依據，因此這方面之研發已是結合材料科學與工程性質之精髓。
在混凝土科技發展中另一突破是使用化學摻料，通常水泥與水拌合後會產生一些絮凝狀結構（圖6）而截留不少之拌合水。
為使混凝土工作性佳，不得不任意加水。
然而自從高性能減水劑或稱為強塑劑開發成功應用後，由於其易使水泥顆粒分散（圖7及圖8），因而可提昇工作性，且可減少用水量及水泥用量，因此可以減少水灰比及增加水泥漿體之微結構緻密性，所以可以提高混凝土強度與耐久性（圖9-11）。
很明顯的提高技術及經濟效益。
因此美國ACI318-95規範明定混凝土使用料中需加入適量之強塑劑。
摻料在近代水泥混凝土科技上已躍昇居最重要的混凝土材料之地位。
為滿足使用者之需求目的，其種類、製造材料及使用功能均是混凝土科技開發的重要工作。
與鋼材比較，混凝土的強度與重量之比值較低，因此顯得較不經濟。
所以提高單位強度下的經濟效益有兩個方式:
一為1917年開始發展之輕質骨材混凝土，而另一方式則為發展高強度混凝土及高性能混凝土。
如圖12所示混凝土強度在近十年來強度提高三倍以上。
甚至可製成強度高達200MPa之混凝土。
如今混凝土已經可以作到量身定製之階段。
混凝土科技持續地提昇，以利民富國及造福大眾為目標，其貢獻已獲得相當的肯定。
三、混凝土的微觀性質
水泥拌合水後立即形成水泥漿體，並逐漸凝聚和硬固。
透過研究在硬固前水泥漿體的結構極其形成之過程的微觀特性之瞭解，可以歸納推導出巨觀之特性。
因此可藉由控制其微結構形成之基因，而獲得優質的混凝土。
何謂微結構?
Hornbogen曾將微結構定義為工程結構與其在材料中的個別相之間的結構水平。
其大小可以小至一個原子，或大至一個組成分（Component）。
微結構物包含所有相（氣，液及固）以及其間隙或其內部的非連續性微孔。
其單元如結構之不平衡特徵例如孔隙、斷層、和晶界、相介面、毛細孔、和顆粒等。
其定量描述需有原子結構缺陷、密度大小、及分佈在材料中之排列方向等資訊。
對多相材料更需有各相之體積比及其在空間之分佈及介面間之特性及數量。
這些微結構觀念對瞭解水泥與混凝土的微結構相當重要。
在瞭解這方面之應用技術及最新的研究成果概況之前，首先需定義一些材料上之術語。
1.術語之定義
一般材料係以組成（Composition）及微結構（Microstructure）加以定性。
組成包含平均化學與離子組成，平均礦物組成，和平均化合物組成，以及每一個單獨化合物的化學、礦物、和離子成分。
而微結構包括按原子大小順序之電子和能帶結構;按結晶結構大小順序之配位結構（Coordinatestructure），晶格缺陷（Latticedefect）和固體溶液結構;按多結晶體結構大小順序的馬賽克式結構、結晶體和雙晶結構，以及凝聚結構，包含結晶、不定形物質及孔隙等。
組成與微結構以廣義而言可定義為特性（Character）。
每一種材料均具有其本身的強度、傳導度、折光度、磁性、質量、膨脹性及彈性等性質。
性質是材料本質之天性及化學量，由其與其他材料或能量之反應所認知的性質完全依材料之組成和微結構的特性而定。
換言之，工程之巨觀行為與其材料微觀性質是相依存的。
特徵描述（Characterization）可定義為闡釋和表明材料的特性。
若另Ci及Pi分別為個體之特性及性質，而C,P分別是整體的特性及性質。
而M及N分別為組成和微結構則Pi與M,N及C與P關係可表示如下:
Pi=Fi（
）=Fi（C）
（1）
即個體的性質Fi為整體特性之函數。
另外P與M,N及C之關係可表示如下:
P=
=c（
）=
（C）=F（C）
（2）
即整體之性質為整體特性之函數，然而若部份的特性以C
（1）或M
（1）&N
（1）表示，則可列如式（3）及式（4）:
Pi≒Fi（M
（1）,N
（1））=Fi（C
（1））（3）
P≠F（M
（1）,N
（1））（4）
由式（3）及式（4）顯示雖然某些性質與某些特性有近似的關聯性，然而整體性質並無法與其中少數的特性有關聯。
也就是預期完整的闡述一工程的性質，必須含蓋其中所有組成材料單元的特性。
然而在執行上相當困難，因此在材料科學的領域方面，現在的處理方式僅能應用與部份特性大體上相關的部份特徵描述以供定出某些特定的性質。
反應（Reaction）是特性隨著時間的變化現象。
而狀態（State）是特性處於平衡情況下的現象。
科技就是應用上列式
（1）至式（4），由確定特性以利澄清性質。
這就是所謂的性質理論（TheoryoftheProperties）。
材料（Material）可定義為材質之集合而具有一些性能。
而性能（Performance）為材料或材質所擁有具體化的某些性質，可應用於特定之使用目的。
評估（Evaluation）為以合格的性質或性能為基準，判斷材料之適用性。
材質（Matter）與材料之分別是前者為佔有空間之物體或物質，而後者是可成為物品原料的物質。
因此材質設計是確定為了達到具體化的某些預定性質所需的材質特性。
而材料設計則可定義為將材質形成一體，使其具有一定之使用目的，以利達到預期的特定性能。
因此可藉由某些材料特性的部份特徵描述及其與整體的特定性質之密切關聯性而可以相當精確的估計其特定之性質。
一旦注意到有些異常現象時，則亦可藉由檢查某些令人關心的特性而加以修正與異常性質相關之特性以利改觀。
現今這種觀念已經在生產材料的品質控制上廣泛地使用。
品質（Quality）為材料或產品的特性，性質，或性能的一般名辭。
雖然品質必須以性質或性能表示。
然而若很難或需長期才可以確定其性質或性能時，則亦可以某些特性取代，而作蓋括性的表示。
品質控制（QualityControl）是使用適當的工具，方法，及系統於製作材料或產品上，不僅可使其品質可保持一定或加以改進以符合顧客之需求，而且是最經濟的。
品質控制經常係以澄清材料或產品的特性之間的關係。
以定量分析每一特性對性質之影響。
分析和量測某些有效的特性，並根據所獲取之數據加以控制特性，且將其性質維持在一定範圍內或加以改善。
特徵描述技術一直在創新，量測之數據經過統計處理後，再透過電腦及人工智慧處理並將數據再回饋到生產製程上之原理現已經可應用到相當高之品質控制及保證程度。
這是今日混凝土科技發展進步神速之原動力。
2.水泥混凝土的特徵描述技術概說
水泥熟料（Clinker），水化水泥，及混凝土等均為含有多組成分的異質系統，所包含的成分，及其構造之大小變化可自數nm（×10-9m）至數cm（×10-3m）範圍，因此水泥熟料，水泥，水化物及混凝土可依其大小按組織結構（texture），顆粒（Particle）及原子之特性而加以分類。
而其各組成和微結構之特性如表1所示。
而在表1所描述的特性所需之定性技術的方法可依分離組成份分析、形狀觀測、狀態分析及微結構分析如圖13所示。
在表一中所示之微結構特性（Microcharacters）為在微結構範圍下，例如在一局部地區，表面上及在縱深方向中之組成和微結構的特性描述。
而巨觀結構特性（Macrocharacters）則為如表一中所示在巨觀結構範圍下之材料或材質之性質描述，大多數情況下，均以整體體積範圍下之平均組成和結構考量。
由於對大體積及巨觀範圍下之特性描述，通常僅針對確定其平均微結構和平均組成而已，一般將試樣分解為可分析的或可量測的形式，而分析方法可依據試樣的本性和性質，形狀，共存之組成份的種類及內容，試樣的數量及所需之精確度。
其技術包括濕潤之化學分析及大尺度之儀器分析等方式。
化學組成的主要分析方法如表2所示。
化學分析包括重量法和體積法使用χ射線螢光分析以確定主要之組成分，及發射分光鏡照相，質譜儀及原子吸收能譜等儀器設備於追蹤組成分。
因為目標元素的可分析的極限及數據的精確度需求已漸增。
因此重大的努力在改進這些技術之靈敏度和慎選所需之分析技術。
為估計水泥熟料的礦物組成分的生產程序，生產反應條件包括溫度、大氣壓及原料之均勻性和可燃燒性，細度等。
因此需確定之特性將包括熟料之微結構組織，熟料礦物之形態和含量，搜尋在熟料礦物中之主要元素及次要者之組成形態、及分佈，結晶之大小，光學性質，結晶性，熟料礦物的分佈，熟料的孔隙大小分佈及孔隙率等。
水泥的水化過程所產生的水化物的特性和未水化的水泥顆粒及骨材均與混凝土的絮凝及硬固結構和混凝土的物理性質發展有密切的關聯。
因此水泥礦物、水泥、水化物及混凝土系統的特徵描述對於高性能及多功能水泥之發展，水泥之材料設計，以及提供水化反應及微結構形成之控制函數綱要，和水泥和混凝土科技開發的智慧函數，以利發展出滿意的性質等工作是相當地重要。
一般傳統上的分析技術主要是針對在大體積及巨觀範圍下材料特性之描述。
使用的方法包括化學分析，紅外線光譜攝影機，核磁共振儀，熱分析儀，光學顯微鏡及粉末χ光螢光分析，掃瞄式電子顯微鏡，穿透式電子顯微鏡等以利確定平均之微結構，估計鍵結狀態、鑑定礦物、觀測表面結構組織的外觀，及測定材料之微結構等工作。
而由於近年來電子，控制，及影像處理技術之進步，對於建立材料的特性與性質間之相關性，以及需更精確，可靠的生產及品質控制系統，特徵描述技術已經移轉到微觀領域中，針對表面的特性之闡明，使其與礦物之性質之關連性可以更為密切，同時先進的特徵描述與評估技術可提供基本數據以利選擇適合製作特殊品質及理想性質的條件，及在品質控制系統上扮演相當重要的角色，這方面之研究技術之提昇及研究成果為促進混凝土科技發展的主要關鍵，詳細說明敬請參閱參考文獻1。
3.水泥及混凝土之微觀特性概述
卜特蘭水泥主要含有四種水泥熟料矽酸三鈣（C3S），矽酸二鈣（C2S），鋁酸三鈣（C3A）及鋁鐵酸四鈣（C4AF）（圖14-16）其中C,S,A,F分別為水泥化學CaO,SiO2,Al2O3及Fe2O3之縮寫，其四相圖如圖17所示。
由於這些水泥熟料均為水泥生料在高溫下所產生的物理化學反應的生成物。
它們都是具有固相及部份液相參與燒結反應所得到熱力不平衡固熔體的水硬性礦物，因此是處在高能量狀態。
圖18示反應活性能與熱力學驅動力之相關性所以水泥一旦接觸到水，將會傾向於熱力平衡而放出熱量。
因此水泥的水化反應是一種放熱反應，所放出之熱量大小及放熱之速率為其反應活性的指標。
若能對水泥的水化機理及水化的生成物特性具有充分的瞭解，將有利於水泥材料的正當使用，雖然這方面的認知相當的複雜與困難，但是經過科學家們不斷的研究，現在已經大致上有一些觀念可循，本文僅作一概括性的介紹而已。
對這方面之科技發展有興趣深入研究者，敬請可參閱水泥化學相關之研討會論文集
（2）。
圖19說明水泥水化過程中所引起的變化特性。
而圖20為在此過程中主要的影響參數。
而圖21示水化過程中之放熱速率變化。
表3為其完全水化所產生之水化熱代表數據。
而其物理化學及力學特性之變化如表4所示。
而在水化過程中水化產物的形成及漿體結構之發展如圖22-24所示。
由圖中可以發現在水化過程中，各種水化產物以不同的成長速率持續地發展相當的複雜。
其水化物之微結構示意如圖25所示，而微觀結構之組成及特徵如表5所示，在水化期間的微觀結構之發展如圖26及圖27所示。
各種水化物之特性可說明如下：
（1）矽酸鈣水化物（C-S-H膠體）
矽酸二鈣及矽酸三鈣之水化反應可表示如下列通式：
C3S＋（2.5＋n）H＝C1.5＋m‧S‧H1＋m＋n＋（1.5－m）CH（5）
C2S＋（1.5＋n）H＝C1.5＋m‧S‧H1＋m＋n＋（0.5－m）CH（6）
由上兩式可發現其水化生成物很難以一定化學式表示，因此通常用C-S-H膠體表示矽酸鈣水化物。
其為一種不定形的非結晶態的固液相。
圖28及圖29為C3S水化形成膠體的顯微結構的發展情形。
圖30為可能的水化機理。
圖31及圖32示各種矽酸鹽之結構及其與水化時間之變化性。
由於水化溫度及鈣矽比不同，因此有各種不同之水化物產生如圖33所示。
C-S-H膠體特性為混凝土性質最重要的指標。
其微觀之外貌如圖34所示。
（2）氫氧化鈣
氫氧化鈣是由C3S和C2S的水化反應所產生的水化物。
其體積約佔水泥漿之20﹪。
有固定的化學組成。
結晶性良好是屬於三方晶系，呈現層片狀結構。
是由彼此聯結的Ca（OH）63－八面體所組成的，結構層內為離子鍵，其結合力很強，而兩結構層之間則為分子鍵，層間之聯系較弱，可能為硬固水泥漿體受力時的一個發生裂縫之策源地，使用高倍率的光學或電子顯微鏡就可以觀察到其結晶形態為細薄的六角板狀（水化初期），疊片狀（成型）或不定型如圖35-36所示。
（3）硫鋁酸鈣水化物
雖然在卜特蘭水泥的成分中C3A僅佔4~11﹪，但因為其放熱量相當大及快速故對早期水化反應有顯著之影響。
C3A含量多時，可能會造成混凝土的耐久性問題。
因此在暴露在硫酸鹽侵蝕性嚴重的地區之結構物，一般對於水泥中之C3A含量均規定必須小於5﹪，通常在製作水泥時有填加石膏以避免水泥產生閃凝現象。
水泥熟料C3A及C4AF水化的生成物中有一種形狀為六角長針結晶稱為鈣礬石常以AFt表示，另一種六角薄板狀或不規則玫瑰狀是單硫型鋁酸鈣水化物以AFm表示。
AFt及AFm中之A,F分別為氧化鋁和氧化鐵的縮寫，而t及m為英文字母的三個及單一個表示其所含硫酸鹽有三個或單一之意思。
鈣釩石是一種結晶相當完好的三方晶系柱狀結構。
這種晶體之結構是以組成為〔Ca3Al（OH）6.12H2O〕3＋的柱狀物為基礎，係由Al（OH）63＋八面體的周圍各結合三個鈣，每一個鈣多面體再配以OH－及水分子各四個。
柱間的溝槽再以三個陰離子形成電價平衡而聯接形成一整體（圖37）。
其通式為C3（A,F）.3Caχ.mH2O，式中χ可為2價陰極子如SO42－，H2SiO32－，CO32－或為一價陰離子如Cl－，OH－等。
完全水化時m＝30~32，其結構水佔AFt之體積達81.2﹪，重量亦達45.9﹪。
因此比重小，體積膨脹容易造成龜裂。
而通式中的（A,F）表示可能完全為Al2O3或Fe2O3或兼含兩者。
而陰離子也有可能出現兩種以上的陰離子共同存在的情形。
AFt之形貌決定於其生長空間及離子可能的供應情形，因此有針棒狀，稜面清晰而兩端挺直者，也有空心管狀物如圖38所示。
單硫型鋁酸鈣水化物為三方晶系層狀結構，其基本單元層為〔Ca2Al（OH）6〕＋，其中Ca和Al以八面體配位，而層間含陰離子和水分子。
與AFt相似亦含有多種陰離子佔據層間位置。
故其通式為C3（A,F）.CaY.nH2O式中Y可能為SO42－，CO32－，H2SO32－，Cl－或Al（OH）4－。
完全水化時，n為10~12（圖39）。
因此除單硫型鋁酸鈣水化物（圖38）外，亦有碳鋁酸鈣，氯鋁酸鈣及水化鋁酸鈣如C4AH13（圖40）及C3AH6（圖41）等生成物。
同樣地F亦可取代A，或兩者共存。
其外觀有不規則板狀、成簇狀、花朵狀、或六方板狀。
AFm的結構水僅佔34.7﹪，比重約為1.95。
當再與SO42－等陰離子反應時，將轉換形成AFt，而使結構水量增加，比重減輕，造成體積膨脹，這是引起硬固水泥漿體體積變化之主因。
（4）水泥漿體之孔隙結構
水泥漿體是一個多相多孔體系。
圖42-44示水泥漿體與滲透性及孔隙水移動及孔結構特徵。
因此其內部固相表面的性質及其比表面積的大小，以及固相之間的孔隙大小、分佈、形狀、數量及總孔隙率等特性對於硬固水泥漿體的物理及力學性質如強度，耐久性等有相當大的影響，因此必須充分的瞭解。
由於水泥水化產物含有結構水，所以其體積要比水泥熟料礦物大。
根據理論上計算1cm3水泥，其水化後可變為2.2cm3之體積。
因此約有55﹪之水化產物佔據原來充滿水之空間。
而隨著水化發展過程，使得未被水化物填充的空間形成孔隙，其分類如表6所示。
由此表可發現孔徑之大小範圍約自10μm（10－6m）至0.5nm（10－9m），其大小相差達兩萬倍，至於孔隙之分類方法亦有很多看法，實際上孔隙之分佈曲線具有連續性，很難有明確的區分界限。
從具有毛細管效應之觀點而言，屬於膠體孔分類中之膠粒間孔實際上也是一種小毛細孔。
一般而言，在水泥水化1天以後，硬固漿體中的大部份孔隙（70-80﹪）的孔徑約在100nm以下，而後繼續水化則小於10nm的膠體孔數量將隨著水化產物之成長而遞增。
原有之毛細孔逐漸被水化物填充而縮減孔徑，因此整體的孔隙率亦相對地降低。
毛細孔系統之量測一般可使用壓汞孔隙測定儀（MIP），其原理是使用壓力將水銀壓入乾燥之漿體中，由於固相的表面不會被水銀潤濕，因此水銀能夠壓入的孔徑僅與其施加之壓力成反比根據Washburn公式可表示如下式：
PR＝2rCosθ（7）
式中r為水銀之表面張力，θ為水銀與孔隙壁之接觸角為140°，P為作用壓力，R為孔隙之半徑。
因此可求得孔隙率，表面積及大小分佈等。
這些數據對於水泥漿之微觀特性之了解相當的重要（圖45），MIP使用之上限主要取決於儀器所能提供之壓力及試體所能承受之壓力。
一般若加壓至3×104/6×104psi時，則可量測之孔徑可達3/1.8nm。
然而通常假設孔隙是圓形，且為獨立體不連貫性且其微結構不受外界條件而變。
此與事實不符，
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