第二章 混凝土的结构

第二章混凝土的结构TheStructureofConcrete结构—性能关系(structures—properties)——现代材料科学的核心材料的结构——组成材料各个相(phase)的类型、数量、尺寸、形状及其分布。建立结构一性能关系模型Modelingofstructure-property1)几何形态(geometry)2)状态与性质(state-property)3)界面的影响（effectofinterface）目的：设计材料；预测性能；简化后应用混凝土的结构特点大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒粗骨料填充。小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充。浆体填充粗细骨料的间隙并包裹骨料，形成润滑层，以满足浇注成型时的流动性要求。混凝土的结构水泥石的结构砂粒水化硅酸钙未水化水泥颗粒氢氧化钙孔隙2014年3月8日10时58分硬化水泥石的水化产物水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）C-S-H钙矾石C-S-H水化硅酸钙凝胶CHCrystal氢氧化钙晶体电镜下的水泥水化产物图Ø悬浮-密实结构：各级集料不能靠拢形成骨架。容易泵送、振捣；弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能不佳。如泵送高强混凝土。Ø骨架-空隙结构：集料可以靠拢形成骨架，细集料过少，未填满留下空隙。抗水、抗化学介质渗透能力差。如透水混凝土。Ø骨架-密实结构：合理数量粗骨料形成骨架、相当数量细集料填充空隙。内摩擦力大，不易泵送。但弹性模量、抗折强度大，收缩、徐变小。如路面混凝土。混凝土的宏观结构混凝土微结构是复杂与非匀质的MicrostructureofConcreteisComplexandHeterogeneous混凝土由三个非匀质的部分（相）组成1)骨料相（增强相）2)浆体相（基体相）3)过渡区（界面相）混凝土的微结构复杂且非均质MicrostructureofConcreteisComplexandHeterogeneous1)靠近集料颗粒存在一个薄弱的过渡区(厚度约10～50μm的薄层)，一般要弱于浆体相和骨料相，但它对混凝土力学性能的影响远大于其反映的尺度。2)三相中的任一相，本身实际上还是多相体。例如，花岗岩颗粒里除微裂缝、孔隙外，还不均匀地镶嵌着石英、长石和云母三种矿物；3)与其他工程材料不同，混凝土结构中的两相一硬化水泥浆体和过渡区是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。1)骨料相AggregatePhase影响混凝土的表观密度、弹性模量、强度和尺寸稳定性等物理性质。骨料的空隙率、孔径与分布，以及粒形、级配对混凝土的性能影响很大。Forexample：碎石一卵石轻骨料混凝土的种类根据密度划分：普通混凝土（约为2400kg/m3）轻混凝土（小于2000kg/m3）重混凝土（大于2800kg/m3）不同骨料的表观密度•普通骨料2700kg/m3•轻骨料～1000kg/m3•重骨料4000kg/m3思考•水泥浆体的密度约为2g/cm3，普通骨料、轻骨料和重骨料与之混合后，其均匀性有何不同表现？几种岩石的线胀系数岩石种类线胀系数(10-6/℃)花岗岩1.8~11.9闪长岩4.1~10.3辉绿岩3.6~9.7砂岩4.3~13.9白云岩6.7~8.6石灰岩0.9~12.2大理岩1.1~16.0几种岩石的弹性模量与泊松比岩石种类弹性模量(GPa)泊松比(n)花岗岩6.0~60.00.11~0.23闪长岩60.0~80.00.25辉绿岩70.0~110.0砂岩6.0~25.00.07~0.22凝灰岩2.0~20.0~0.11石灰岩30.0~40.00.19~0.27大理岩50.0~80.00.25~0.282)硬化水泥浆体相HardenedCementPastePhase不均匀，含多种固相、孔隙和水。固相：水化硅酸钙(C-S-H)；水化硫铝酸钙微晶；氢氧化钙片状大结晶；未水化水泥。孔隙：层间孔(凝胶孔)、毛细孔(微小)；气孔(大)。水分：毛细孔水、吸附水、层间水(凝胶水)和化学结合水。(1)固相•C-S-H凝胶：占固相体积的50%~60%，呈层状结构，层与层之间有大量孔隙（凝胶孔）。钙硅比（C/S)：1.5～2.0；比表面积100~700m2/g，约为未水化水泥颗粒的1000倍，巨大的比表面积使它有很强的胶凝性，是产生硬化水泥浆体强度与骨料粘结强度的主要因素。•CH晶体：占固相体积的20%~25%，呈六方片（板）状结构，由于较小的比表面积，胶凝性较差，是形成粘结强度的薄弱环节。由于溶解度较大，易受酸性介质腐蚀，影响耐久性。•C-A-S-H晶体：占固相体积的15%~20%，在结构-性能关系中起次要作用。水化初期形成的AFt会转化为AFm，使混凝土易受硫酸盐侵蚀。AFt为针状晶体，AFm为片状晶体。•未水化熟料颗粒：较大的水泥颗粒即使在水化很长时间后，仍存在未水化的内核，周围则被水化产物所包裹。不同尺度下的水化硅酸钙SEMofcalciumhydroxideLargecalciumhydroxidecrystalsprecipitatedinanentrainedairvoidSEMofAFtAFtcrystalsneedspacetogrowsotheyareoftenfoundinlargeairvoids200×2000×5000×水化硫铝酸钙AFt(局部视图）(2)孔隙•C-S-H凝胶孔（层间孔）：鲍尔斯(Powers)认为C-S-H结构中层间空间距离约1.8nm（即凝胶孔孔径），费尔德曼认为层间空间变化于0.5~2.5nm。凝胶孔固定占C-S-H固相体积的28%，其比例与水灰比和水化程度无关。由于孔径小，不影响水泥浆体的强度和渗透性。但水泥浆体的收缩和徐变主要受凝胶孔（凝胶水）的影响。•毛细孔隙：硬化水泥浆体内没有被水化产物（固相）填充的空间，呈不规则形状。其孔径与数量取决于水灰比和水化程度。水灰比小的浆体中，毛细孔孔隙在10~50nm之间，而在水灰比高的浆体中可大至3000~5000nm。孔径分布比总孔隙率对水泥石特性影响更大：大于50nm的毛细孔对强度和渗透性产生有害影响，小于50nm的毛细孔则对干缩和徐变的影响更为重要。•气孔：形状大体呈球形。搅拌过程中由于空气混进而产生诱导气泡，诱导气泡可以大到3mm，或引气剂引入的微细气泡，孔径一般50~200μm。诱导气泡和引入气泡比毛细孔隙大得多，因此会影响强度和渗透性。水泥石中的毛细孔混凝土中的小气孔孔隙的尺寸大小(3)水•化学结合水：水化产物结构的一部分，干燥时不失去，只有高温下才分解释放。•凝胶水（层间水）：在C-S-H层间通过氢键牢固地与其键合，只有在强烈干燥下（R.H≤11%）才会失去，使C-S-H产生相当大收缩。•吸附水：在引力作用下，水分子物理吸附于硬化水泥浆体固相的表面。当R.H≤30%，大部分吸附水失去，是水泥石产生干缩的主要原因。•毛细孔水：存在于5nm以上的孔中，分两类：孔径大于50nm中的水视为游离水（自由水），不受固体表面张力影响，失去时不会造成任何体积变化；孔径5~50nm孔隙中的水受表面张力影响，失去时引起体积收缩。硬化水泥浆体微结构一性能关系1）强度主要来源于水化物层间的范德华引力，结合力虽弱，但C-S-H、钙矾石微晶表面巨大（100~700m2/g，约为水化前水泥颗粒的1000倍），作用之和非常可观，并且与氢氧化钙、未水化水泥及骨料间的粘结也很牢固。水泥浆体与集料的界面粘结以界面粘着和机械咬合的物理结合为主，以集料与浆体之间化学反应结合为辅。2）尺寸稳定性湿度低于100%时，自由水蒸发，但并不伴随收缩；继续干燥使吸附水、层间水蒸发，收缩明显。3）耐久性硬化的水泥浆体可象致密的岩石一样不透水。同时，即使骨料非常致密，混凝土的渗透性也要比水泥浆体低一个数量级。这说明混凝土的渗透性更主要的影响来自界面过渡区。界面是指水泥石与骨料的交界面，在混凝土中，由于水泥浆体的泌水，会在界面区形成一层以氢氧化钙和钙矾石为主要成分的多孔区，这一区域是混凝土中的最薄弱区。3)界面（过渡区）相Interfacial(TransitionZone)Phase过渡区形成原因DevelopmentReasonsofInterfacialTransitionZone(ITZ)1)新成型的混凝土中沿集料周围包裹了一层水膜，使贴近粗集料表面区域的的水灰比大于混凝土基体的水灰比。2)由于贴近粗集料表面区域的的水灰比大于混凝土基体的水灰比，界面区形成的AFt和CH等晶体的尺寸较大，界面区结构中的孔隙比水泥浆体或砂浆基体的孔隙多。3)板状CH晶体定向排列，取向是平行于集料表面或垂直于集料表面。2014年3月8日10时58分混凝土中的泌水及对界面的影响过渡区微结构特点及对性能影响1)过渡区的CH、AFt含量和尺寸及CH晶体取向性、Ca/Si比高于基体部分，未水化水泥的含量低于基体部分，且临近集料表面呈一个梯度变化；2)过渡区的孔隙率大，大孔径的孔多；3)过渡区存在大量原生微裂缝。荷载之前出现的裂缝，由于水泥石和集料弹性模量不同，温湿度变化时，两者变形不一致；4)过渡区的强度、弹性模量低于基体部分（显微硬度表征）5)过渡区的渗透与扩散系数均高于基体部分。硬化混凝土界面过渡区结构模型过渡区微结构特点：l未水化水泥少lC-S-H少、AFt、CH多l孔隙率大、大孔多lAFt、CH晶体粗大lCH定向排列界面区的结构CHPores混凝土结构的形成Ø混凝土结构的形成过程就是水泥的凝结硬化过程。–凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程。–硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。Ø水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。水泥的早期水化和凝结硬化水化6小时的砂浆结构(W/C=0.5)水化28天的砂浆结构(W/C=0.5)低水灰比区高水灰比区Typicalstress-straindiagramsofcementpaste,aggregate,andconcretePointstonote:•Aggregateandcementpastelinearuptofailure•Concretestress-strainresponse(elastic)inbetweenaggregateandcementpaste•Concretedoesnothavealinearbehavioruptofailure思考题1．过渡区如何影响混凝土的宏观性能（强度、渗透性、刚度）。2．根据混凝土微结构的特点，设想出一些可能改善混凝土性能的途径。3.界面过渡区的影响因素及改善途径。