《水泥石的孔结构研究ppt课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水泥石的孔结构研究ppt课件.pptx（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水泥石的孔结构研究水泥石的孔结构研究 水泥与水泥混凝土课题讨课题讨 论论 基本概念 水泥混凝土是由粗骨料 细骨料 水泥水化产物 未水 化水泥颗粒 游离水和结晶水等液体 以及气孔和裂隙 中的气体所组成的复合胶凝材料 其中硬化的水泥混凝土 中的数量不同 大小不等的气孔 包括成型时残留气泡 水泥浆体中的毛细孔和凝胶孔 接触处的孔穴及水泥浆 体的干燥收缩和温度变化而引起的微裂纹等 它们都是 混凝土显微结构的重要组成部分 一般认为原生的胶 孔 毛细孔及早期非受力变形所造成的微裂缝等是混凝 土原生固有缺陷 而这些缺陷是水泥混凝土总体宏观性 能行为的根源 研究内容 水泥 石孔 结构 孔隙率 孔径分 布 孔形
2、貌 孔结结构包括三个方面的内容 孔隙率指整个水泥石结结构中孔隙所占的百分比 孔径分布是指不同孔径孔的分布情况 水泥石 中孔径分布的差异也会显显著地影响水泥石的性 能 孔形貌即指水泥石中孔的形态态 孔结构研究进展 首先 在1980年第七届国际水泥化学会议 上 F H Wittmann教授提出了 孔隙学 的概 念 把混凝土中孔结构的研究范围扩 展到 了孔径分布 或孔级配 以及孔的形态等方 面 孔结结构体形参数的测试测试 技术术 v目前常用的水泥石孔结结构测试测试 技术术包括 光学法 等温吸附法 X 射线线小角度散射法 压压汞法等 v Kyoji Tanakaa 等选择镓 Ga 作为浸入液体 同时结
3、合电子探针图象分析技术 EPMA 揭示孔的 位置和形状 vM K Head 等采用激光扫描共焦显微镜来研究硬化 水泥石细孔结构的3D 图象 光学分辨率可以达 1 m 可以观察多孔的集料界面 微裂纹 毛细孔 和气孔 vA B Koudriavtsev 等采用核磁共振技术术研究孔隙 率和孔尺寸分布 v此外 还还有一些学者采用扫扫描电镜电镜 的背散射图图象分 析技术术来研究孔结结构 6 孔结结构的分形特征 v 美籍数学家曼德布罗罗特首先提出分形的概念 v 随着研究的深入 有些学者采用分形理论论来研究孔结结构特 征 揭示水泥石宏观观物理现现象的本质质 不同的分形维维数 分别别从不同角度来描述混凝土孔结
4、结构 对对具体问题问题 要分 析哪些参数起主要作用 然后建立合适的分形模型 取得 了很好的效果 如 唐明认为认为 断面孔隙形貌的分形维维数 能直接用于描述孔隙的复杂杂程度 广西大学尹红红宇 用孔 隙体积积分形维维数和孔轴轴分形维维数来揭示混凝土材料宏观观 物理现现象的本质质 华华南理工大学韦韦江雄建立了分形模型 来模拟拟水泥浆浆体的空间结间结 构 推导导出孔体积积分形维维数D 和孔隙率P 孔径分布的关系式 所以用分形科学分析评评 价混凝土材料一系列特征 研究材料的组组成 结结构与破坏 机制 描述微观观尺度下的精细结细结 构 细观层细观层 次下的力学 行为为及宏观领观领 域表现现的自相似特征是十
5、分有效的 7 研究意义 水泥水化硬化之后所形成的硬化体 水泥石 是一种不均匀的多孔材料 它胶结结各种粗细细骨料 构成了现现今最主要的建筑材料 混凝土 这这种多 孔材料的物理性能与其内部的孔结结构有着非常密切 的关系 例如 水泥石孔结结构能直接影响其强度 渗透性 抗冻冻性 耐蚀蚀性 湿张张干缩缩 蠕变变以及热热 性能等一系列性能 同时时 外部介质对质对 水泥石的作 用以及水泥本身固有的反应应 都会引起其内部结结构 的变变化 例如 冻冻融循环环 高温作用 环环境温度的 变变化以及水泥自身水化的过过程都能使水泥石孔结结构 产产生显显著的变变化 因此研究水泥石孔结结构具有十分 重要的意义义 8 主要内
6、容 水泥石孔结构的测定方法2 改善水泥石孔结构的途径4 水泥石孔结构对水泥石的影响及机理分析 3 3 水泥石孔级分类 3 1 本课题 主要从以下五个方面对水 泥石孔结构进行了研究 3 5 发展展望 9 一 水泥石孔级分类 孔级分类 vF H Wittmann 最先把微观观 Microscopic 细观细观 Mesoscopic 和宏观观 Macroscopic 三个 等级这级这 三个尺度的研究应应用到混凝土材料的研究中 v吴中伟伟院士在1973 年提出的孔级级划分和孔隙率及 其影响因素的概念 根据不同孔径对对混凝土性能的影 响 按孔径尺寸将其分为为 无害孔 少害孔 有害孔 和多害孔 v布特等人
7、对对混凝上的孔结结构也曾做了大量的测试测试 按照孔径大小把混凝中的孔分为为四级级 分别为别为 凝胶 孔 过过渡孔 毛细细孔和大孔 11 孔级分类 vJawed 等人对对混凝土中的孔结结构进进行研究后 将孔 结结构划分为为 大孔和毛细细孔 而毛细细孔又进进一步划分 为为大孔 间间隙孔和微孔 v日本的近藤连连一和大门门正机在第六届国际际水泥化学 会上从更微观层观层 次提出将水泥石中的孔分为为 凝胶微 晶内孔 凝胶微晶间间孔 凝胶孔 凝胶粒子间间孔 或称过过渡孔 毛细细孔或大孔 12 孔结构研究目的 研究孔结结构的主要目的就是获获得水泥 胶凝材料的宏观观性能 强度 抗渗性 抗冻冻性 耐久性等 建立孔
8、结结构 材料性能的定性或定量的相互关系模型 对对于孔结结构的研究有助于对对水泥胶凝材 料的宏观观性能进进行控制和优优化 13 二 水泥石孔结构的 测定方法 主要测定方法 1 泵压 力法 2 等温吸附法 3 X射线小角度散射法 2 1 泵压力法 v泵压泵压 力法 又叫压泵压泵 法 主要是根据压压入孔 系统统中的水银银数量与所加压压力之间间的函数关 系 计计算孔的直径和不同大小孔的体积积 v泵压泵压 力测测孔法最适合于平均半径为为15 10 10 m 100um范围 围的孔 v泵压泵压 力法所用试样试样 需进进行干燥 而干燥有可 能引起结结构不可逆变变化 但测测定结结果与冰冻冻 蔓延法 未经经干燥
9、 结结果相符 16 2 2 等温吸附法 v气体吸附在固体表面 随着相对对气压压的增加 会在固体表面形成单单分子层层和多分子层层 加 上固体中的细细孔产产生的毛细细管凝结结 可计计算 固体比表面积积和孔径 v常见见的吸附法所采用的气体为为氮气 环环乙 烷烷 水蒸气还还有异丙醇等等 v用不同的气体对浆对浆 体进进行吸附法测测孔 与水 灰比的关系有差别别 v吸附法 尤其是氮气吸附的方法 通常用于测测 定 5 350 10 10m的孔 17 2 3 X射线小角度散射法 vX射线线小角度散射法 缩缩写为为SAXS 此法 可在常压压下测测定材料 20 300 10 10m的细 细孔孔径分布 v用SAXS测
10、测定材料比表面积积或孔结结构 不要 求对试样进对试样进 行去气和干燥处处理 因而可以测测 定任意湿度下试样试样 的孔结结构 18 v与泵压泵压 力法相比较较 二者所测测孔分布在较较大 孔处较处较 接近 而在小孔处处 则则SAXS法所测测 孔穴比泵压泵压 力法所测结测结 果大得多 原因是泵泵 难难以进进入大量封闭闭孔和墨水瓶孔的陷入部分 水灰比越低 泵泵越难进难进 入 则则所测测不出的 孔径就越大 而SAXS法在大孔区域由于干涉 效应应和仪仪器精度所限 会产产生较较大误误差 所 以SAXS适于测测定300 10 10m以下的孔 19 三 水泥石孔结构对水泥 石的影响及机理分析 孔结结 构 渗透性
11、强度 以两个方面为例 21 4 1 孔结结构与水泥石渗透性关系 一般而言 水泥的渗透性随总总孔隙率的增加而提高 但两者之间间并不存在简单简单 的函数关系 总总孔隙 率高的水泥 渗透性不一定就高 因为为孔隙率相 同的水泥的孔径分布不一定相同 毛细细孔的微孔 势势能大于重力场势场势 能 对对渗透性能的影响较较大 通常情况下 毛细细孔通过过凝胶孔相互连连接 孔隙 率较较高时时 毛细细孔相互连连接 形成贯贯通的网状结结 构 22 4 2 孔结结构与水泥石强度的关系 v多孔材料中控制强度的主要因素是孔结结构 孔结结 构中简单简单 而重要的参数是孔隙率 19世纪纪末 Feret提出混凝土强度和孔隙率的关系
12、式为为 23 vPowers T C根据大量的实验实验 的结结果 建立了 水泥石的强度比与胶孔比 X 的关系如下 其中 应应当指出 他提出的方程是假定水泥完全水化 并且没有考虑虑孔分布对对强度的影响 24 v 孔的存在可以使处处于应应力状态态的材料应应力集中 而应应力集中的程度则则主要取决于孔的形状 研 究表明 球形孔可以使孔所在之处处的应应力增加1 倍 而柱形孔则则可以使孔所在之处处的应应力增加2 倍 因此 孔的几何学是影响水泥基材料性能的 重要因素之一 也是非常重要的孔结结构特征 25 此外 孔的形状与位置对对强度也有一定的影 响 例如长长短轴轴比例大的椭圆椭圆 形孔对对抗拉 抗折 强度不
13、利 迄今为为止 虽虽已建立了诸诸多孔结结构与强度的 关系 但总总是因孔结结构的复杂杂性 在理论论上和测测 试试中都还还存在着一些无法克服的困难难 更何况强 度并非只与孔隙有关 26 四 改善水泥石孔 结构的途径 改善水泥石孔结结构的途径 改善 水泥石 孔结结构 掺掺粉煤灰 掺掺珍珠岩 矿矿物外加 剂剂 选择选择 适当 的水泥粒 径分布 28 改善途径 粉煤灰 通过掺过掺 粉煤灰改善水泥石的孔结结构 3 1 粉煤灰对水泥浆体孔结构的改善是由于 粉煤灰的密实效应作用的结果 并且随着 粉煤灰掺量的增加 浆体中大孔减少 微孔 增加 在早期 大量细小的粉煤灰颗粒填充 在熟料矿物的水化产物孔隙中 将原来的
14、大 孔分割为很多细小且互不连通的小孔 使硬 化浆体的密实度提高 因此 掺粉煤灰有 利于提高水泥及其混凝土的耐久性 29 改善途径 珍珠岩矿矿物 通过掺珍珠岩矿物外加剂改善水泥 石的孔结构 3 2 随着养护龄 期延长 珍珠岩矿物外加剂 能够降低水泥石孔隙率 减小孔径 优化 后期水泥石的孔级配 从而改善水泥石的孔 结构 使这些微孔从早期的少害孔 孔径20 50 细化为后期的无害孔 孔径 20 甚 至消失 这有助于提高水泥基材料的力学强 度和耐久性 30 改善途径 水泥粒径分布 通过选择适当的水泥粒径分布改善 水泥石的孔结构 3 3 适当的水泥粒径分布可以使水泥浆体 初始结构具有最佳的堆积密度 同时
15、使水 泥水化物的生成量与水泥浆初始孔隙量 相匹配 从而得到孔隙率和孔径较小的密 实均匀的水泥石 使水泥石的性能提高 31 五 展望 展望 1 高强度水泥浆浆体的理想结结构应该应该 是 尽可能 少的但足以将晶相颗颗粒胶结结成整体的凝胶 尽 可能多的具有活性的晶相颗颗粒 无大孔 对对它 的研究应侧应侧 重于与施工性相联联系起来 并用更 先进进的方法从更细细小的程度上来观观察 2 通过掺过掺 混合材料来改变变水泥浆浆体各水化产产物 的相对对含量 并改变变养护护条件来进进一步改善水 泥浆浆体的微结结构 从而使微结结构和强度建立起 确切的联联系 我们们更希望通过计过计 算机模拟拟来研 究它们们之间间的关系 这对这对 于混凝土的发发展也将 起很大的推动动作用 33
