混凝土的微观结构

混凝土的微观结构乔贝任亚楠混凝土的微观结构•2.1定义•2.2重要性•2.3复杂性•2.4骨料相的微结构•2.5水化水泥浆体的微结构•2.6混凝土中的过渡区2.1定义•微结构：是指宏观结构中用显微镜放大才可见的部分。•所谓宏观结构一般是指用肉眼可见的、粗大的微结构;肉眼不可见的界限大约在1mm的五分之一。•一个固体各个相的类型、数量、尺寸、形状及其分布即构成了该固体的微结构。2.2重要性•材料领域的进步首先在于可以从内部的微观结构认识到其性能由来的机理。换句话说，性能可以通过使材料微结构适当地变化得到改进。虽然混凝土是应用最为广泛的结构材料，但它的微结构是不均质且高度复杂的。所以研究它的微结构至关重要。2.3复杂性•从微观水平上看，混凝土微结构的复杂性显而易见。其微结构中的两相既不是彼此均匀分布的，微结构本身也不是匀质的。•混凝土微结构的独特之处：1.粗骨料颗粒附近的小范围存在界面过渡区（颗粒周边呈10-50um厚度的薄壳）2.三相中的每一个相本身也是多相的。3.混凝土的微结构不是材料固有的特性（因为水泥浆和过渡区是随时间、环境温度与湿度而变化的）2.4骨料相的微结构•骨料相主要影响混凝土的单位质量、弹性模量和尺寸稳定性。混凝土的这些性质在很大程度上取决于骨料的表观密度和强度，而骨料的物理特性要比化学特性对其更具有决定性。•孔隙率和粗骨料的形状和构造也会影响混凝土的性能。由于比混凝土其他两相的强度高，骨料相通常不直接影响普通混凝土的强度，除非是多孔和软弱颗粒。2.5水化水泥浆体的微结构•水化水泥浆体在这里的含义是指由波特兰水泥（以下称硅酸盐水泥）制备的浆体。硅酸盐水泥是一种灰色粉末，呈多棱角颗粒，粒径约为1~5um。它通过粉磨熟料和少量硫酸钙得到，熟料是由氧化钙和硅、铝、铁的氧化物经高温反应产生的几种化合物非匀质的混合物而生产出的。熟料基本组成大约对应为C3S、C2S、C3A和C4AF。2.5水化水泥浆体的微结构•钙矾石的形成：在水泥水化的几分钟里，钙、硫酸盐、铝酸盐与氢氧根反应的结果，是针状结晶的硫铝酸钙水化物，即“钙矾石”就开始出现。几小时后，大的棱柱状氢氧化钙结晶和细小纤维状的硅酸钙水化物，开始填充先前由水和未溶解水泥颗粒占据的空间。几天后，“钙矾石”可能会不稳定并分解为单硫型的硫酸盐水化物，形貌为六角形片状。六角形片状也是铝酸钙水化物的形貌，它在硫酸盐不足或高铝的硅酸盐水泥中形成。2.5.1水化水泥浆体的固相•水化硅酸钙（C-S-H可占50%~60%的体积，是决定浆体性能的主要相。）•氢氧化钙（具有确定比例的化合物，它形成六角棱状的大晶体，形貌各式各样。）•硫铝酸钙水化物•未水化的水泥颗粒2.5.2水化水泥浆体里的孔•C-S-H中的层间孔（这些微孔中的水分会被氢键所保持，在一定条件下会失去并产生干缩和徐变）•毛细孔（它代表没有被水化水泥浆体的固相产物所填充的空间。毛细孔的体积和尺寸由新拌水泥浆中未水化水泥颗粒的间距即水灰比，以及水泥水化的程度所决定。）•气孔（毛细孔的形状是无规则的，气孔则一般呈球形。混凝土拌合过程中水泥浆体里通常会带入少量空气。）2.5.3水化水泥浆体中的水分•毛细孔水（存在于5nm以上孔隙里的水）•吸附水（靠近固相表面的水）•层间水（这是一种与C-S-H结构相关联的水，在C-S-H的层与层之间，一个单分子水层牢固地被氢键所键合）•化学结合水（这种水是构成各种水泥水化产物微结构的一部分）2.5.4水化水泥浆体中的微结构-性能关系•硬化混凝土的工程特性强度、尺寸稳定性与耐久性，不仅受配合比影响，还受水化水泥浆体的性质影响，而它又取决于微结构的特征（固相和孔的类型、数量及分布）1.强度水化水泥浆体固相产物强度，主要来源于范德华力的存在。两固相表面间的黏附力来自这种物理作用。（孔隙会对强度产生危害）2.5.4水化水泥浆体中的微结构-性能关系2.尺寸稳定性保水的水化水泥浆体在尺寸上是不稳定的，当然只要保持相对湿度在100%，实际上没有发生尺寸变化。3.耐久性水化了的水泥浆体是碱性的，因此暴露于酸性水中时对材料是有害的。在这类条件下，不透水性或成水密性就成为决定耐久性的首要因素。2.6混凝土中的过渡区•粗骨料颗粒和水化水泥浆体之间存在着过渡区，虽然它的组成和水化水泥浆体相同，但其微结构与性能不同于水泥浆体。•过渡区的发展顺序：首先，新压实的混凝土中，大颗粒骨料周围形成水膜。随后，水泥浆体本体中，钙、硫酸根、氢氧根以及铝酸根离子，结合生成钙矾石和氢氧化钙。由于水灰比比较大，这些靠近粗骨料的结晶产物为较粗大的晶体，因此形成比水泥浆或砂浆本体更多孔隙的构架；板状的氢氧化钙晶体趋向形成定向层。2.6混凝土中的过渡区最后，随着水化的进展，结晶不良的C-S-H和次生的钙矾石、氢氧化钙晶体开始填充在大钙矾石和氢氧化钙晶体构架之间的孔隙里，这有助于提高过渡区的密实度。强度---水化产物和骨料颗粒之间的黏结力也是范德瓦尔兹引力，过渡区中任意一点的强度取决于孔的体积和尺寸。过渡区是链条中最薄弱的一环，被视为混凝土中的强度限制相。