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1、第四讲 普通混凝土的硬化 及结构形成过程,主要内容,混凝土结构概述 普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化(自学） 水泥石的亚微观结构(自学） 水泥石的工程性质(自学） 水泥浆体与集料间的过渡区结构 水泥石集料的界面粘结和微裂缝 混凝土结构模型,一、混凝土结构概述,结构与性能的关系 硬化混凝土的结构与形成过程 宏观结构 微观结构,（一）结构与性能的关系,材料的各种性能与其内部结构存在依存关系，材料的内部结构往往决定了其性能。因此改变结构，即可改变其性能。 混凝土材料也不例外。混凝土的各种性能（强度、弹性、收缩、徐变、开裂、耐久性）均受混凝土的结构影响。,（二）硬化混凝土的
2、结构,1、宏观结构-均匀 普通混凝土的宏观组织呈堆聚状，内部结构十分复杂。 组成： 视为集料分散在水泥石中两相复合材料。 2、 微观结构 -不均匀 水化产物 不同尺度的孔隙,多相：气相、液相、固相,多组分：粗细集料+水泥石,多孔：毛细管、孔隙、微裂缝,（二）硬化混凝土的结构与形成,硬化混凝土的结构: 水化水泥浆体 集料 水泥浆体和集料的过渡区 混凝土结构的形成： 拌和浇注密实硬化混凝土,（三）过渡区,存在于在水泥浆体与集料结合的界面，过渡区是围绕大集料周围纳一层薄壳，此处的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结构有明显的不同，其厚度一般为1015m，是混凝土性能中的一个薄弱环节。,二、
3、普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象,外分层 定义 危害 内分层 定义 三个区域 危害,（一）外分层现象,定义 危害,a图 不同粒径的固体i粒子沉降距离,b图 分层的开始,c图 分层的结果,粗大的颗粒沉积于下部，多余的水分被挤上升或积聚于粗集料的下方而导致的混凝土不均匀现象。 外分层使混凝土沿着浇灌方向的结构不均匀，其下部强度大于顶部。表层混凝土成为最软弱部分。,（二）内分层现象,定义：粗骨料间隙内砂浆中，砂颗粒及水泥颗粒下沉、水上浮的现象。 三个区域： 区域1：充水区域 区域2：正常区 区域3：密实区 危害：充水区域是混凝土中最弱的部分，也是混凝土渗水的主要通道和裂缝的发源地。由于混凝土内分层，
4、使混凝土具有各向异性的特征。表现为沿着浇灌方向的抗拉强度较垂直该方向的为低。,三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化,钙硅比 硅酸盐水泥水化产物的组成与结构 水泥石的微观结构 胶孔比,（一）钙硅比,1、钙硅比定义 3CaO.SiO2+ nH2O xCaO2SiO2yH2O + (3-x)Ca(OH)2 x= CaO/SiO2或X=C/S，称为钙硅比。 2、影响钙硅比因素氢氧化钙溶液的浓度 当氢氧化钙浓度约为1-2mol/L 时，生成C/S小于1的固相（由水化硅酸一钙和硅酸凝胶组成）；如氢氧化钙浓度更低，则水化硅酸一钙就会分解成氢氧化钙与硅酸凝胶； 当氢氧化钙浓度约为2-20mol/L 时，生成C/S为
5、0.8-1.5的水化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为C-S-H （） 或CSH(B)。,当溶液中氢氧化钙浓度饱和时（即CaO1.12g/L)，生成碱性更高(C/S为1.5)的水化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为C-S-H （）或C2SH2. 硅酸三钙的水化产物的组成不是固定的，和水固比、温度、有无异离子参与等水化条件都有关。在常温下，水固比减小，将使水化硅酸钙的C/S提高。（图1） 水化硅酸钙的组成随水化反应的进程而改变，其C/S随龄期的增长而下降。 水化硅酸钙统称为C-S-H凝胶或C-S-H。一般所测得的C/S比平均值通常变动于1.5-1.7之间。,（一）钙硅比,胶体,晶体,水化硅酸钙凝
6、胶，呈纤维状，称托贝 莫莱石凝胶，约占总体积的50%；,水化铁酸钙或或水化铁铝酸钙,Ca(OH)2 六方片状晶体，约占总体积的25%； 水化铝酸钙：六方板状晶体 高硫型3CaOAl2O332CaSO4 32H2O （钙钒石） 为针状或杆状晶体 低硫型3CaOAl2O3CaSO4 12H2O,（二）硅酸盐水泥水化产物的组成与结构,四、水泥石的亚微观结构及强度,C-S-H凝胶的化学组成是不固定的，C/S和水硅比在较大范围内变动，还存在Al 3+ 、Fe3+、SO-4等离子。 C-S-H有很大的比表面积，因为凝胶中有大量的孔存在； C-S-H结晶程度极差； C-S-H凝胶是由不同聚合度的硅酸根与钙离
7、子组成的水化物。单聚物占22%-30%，三聚物和四聚物很少，其他多聚物达44%-51%。,1、水化硅酸钙的化学组成与结构,C-S-H凝胶的形貌 （P90图2-2-7-5、6、7、8） 型C-S-H：为纤维状粒子 型C-S-H：呈网络状粒子 型C-S-H：等大粒子 型C-S-H：外观呈皱纹状,1、水化硅酸钙的化学组成与结构,2、氢氧化钙结晶相的组成与结构,具有固定的化学组成，纯度较高，属三方晶系。其晶体构造属于层状。其层状构造为彼此连接的八面体，结构层内为离子键。为片状形态。,钙钒石 属三方晶系，为柱状结构。见图2-2-7-12. 单硫盐（AFm相) 属三方晶系，呈层状结构，为六方板状结构。 见
8、图2-2-7-13。,3、钙钒石和AFm的组成与结构,（三）水泥石的亚微观结构,水泥石的组成 。,水泥凝胶,水化硅酸钙凝胶,Ca(OH)2 晶体,1m,毛细管腔,未水化的水泥核心,网络结构,28%凝胶孔15-30埃,具有渗透性，渗透系数为10-14cm/s,占水泥凝胶的1/6-1/5,1cm3绝对体积的水泥生成2 cm3多的水泥凝胶,水泥石的含量约占总体积的1/4，水泥石的亚微观结构对水泥石和混凝土许多性能有很大的影响。 凝胶孔的孔隙率与水灰比和水化进展无关。,（三）水泥石的亚微观结构,黑点凝胶粒子； c-毛细孔，1.3微米,水泥石的孔结构 胶孔比 水泥石中的水,（三）水泥石的亚微观结构,1、
9、水泥石的孔结构,（1）水泥石孔的分类 （2）孔作用 （3）水泥石的内比表面积 （4）水泥石孔分布测定 (5) 影响水泥石孔分布的因素,（1）水泥石孔的分类,水泥石孔的特点 分布范围广：0.005m10m 存在形式： A .水泥水化物占有的空间中。 B . C-S-H凝胶粒子内部。 凝胶孔尺寸细小，用扫描电镜也难也分辨。,鲍维尔斯等人观点： 凝胶粒子的直径约为10010-10m左右， 其中28%的胶孔， 孔尺寸(1530) 10-10m。 弗尔德曼观点： 存在层间孔， 水力半径在(0.952.78) 10-10m之间。 IO.M.布特等人对水泥石孔径的分类： 凝胶孔【104 10-10m 】,（
10、1）水泥石孔的分类,日 近藤连一、大门正机观点：提出了C-S-H凝胶孔结构模型：,1-凝胶颗粒；2-窄通道；3-胶粒间孔；4-窄通道、5、微晶间孔；6-单层水；7-微晶内孔,7,6,5,4,（1）水泥石孔的分类,Jawed对水泥石孔径的分类,P.K.Metha 实验结果：小于132010-10m的孔对混凝土的强度和渗透性没有什么影响，将孔分为四级： 小于4510-10m (45500) 10-10m (5001000) 10-100m 大于100010-10m,(1)水泥石孔的分类,(4)水泥石孔分布测定,汞压力法-1510-10 m -100m 等温吸附法-(22-45)10-10 m X射
11、线小角度散射法-20-300 10-10 m,（5）影响水泥石孔分布的因素,水化龄期 水灰比 水泥石的矿物组成 养护制度 外加剂等,2、胶空比,定义 水泥凝胶的体积对水泥凝胶和毛细管腔两者体积之和的比值。 水泥抗压强度与胶空比之间的关系 水泥抗压强度: f=Axn 式中 :x胶空比 n 常数，取决于水泥的特性，在2.5-3.0之间。 A 代表水泥的固有强度在2000-3000Kg/cm2,2、胶空比,假定1cm3绝对体积的水泥，生成2.06cm3体积的水泥凝胶。设： c=水泥质量 vc=水泥比容 w0=混合水的体积 =已水化水泥的份数 则水泥凝胶的体积=2.06 c vc ， 可用于水泥凝胶填
12、充的空间总体积= c vc + w0 因此胶空比为：,2、胶空比,如vc=0.319 cm3 /g, 则: 如有a cm3体积的空气存在，则在式中w0 /c用（ w0+ a ）/c 代替即可。 由于x变动在0-1之间，根据上式水泥石的强度不能超过A。当x =1，水泥石的强度却随着水泥含量的增加而增大，这 时，水泥石中甚至还存在着未水化的的水泥。这可能是由于 在未水化水泥粒子表面包裹的水泥凝胶层较薄的缘故。,3、水泥石中的水及其形态,分类,吸附水,自由水,结晶水,强结晶水,弱结晶水,凝胶水,毛细孔水,层间水,沸石水,T.C鲍威斯观点：,蒸发水,非蒸发水,一般分类：,强度理论 水泥凝胶产生强度的原
13、因 变形 耐久性,（四）水泥石的工程性质,1、强度理论,脆性材料断裂理论 结晶理论 孔隙率理论 其他,（1）脆性材料断裂理论,内容： 水泥石的强度主要取决于水泥石的弹性模量、表面能以及裂缝大小，其抗断裂的能力可用葛里菲斯公式来表述。 公式： = (2E/C) 式中： 断裂应力 E弹性模量 单位面积的材料表面能 C裂缝长度,（2）结晶理论,内容： 硬化水泥浆体是由钙钒石的针状晶体和多种形貌的C-S-H、以及六方板状的氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起构成，它们密集连生交叉结合、接触，形成牢固的结晶结构网。水泥石的强度主要决定于结晶结构网中接触点的强度与数量。 公式：（A.巴拉克曾提出
14、） f= F 式中：f水泥石多孔体的强度 结晶接触点的强度 F断裂面上结晶接触点的面积,内容： 水泥石的强度发展决定于孔隙率，或者说决定于水化生成物充满原始充水空间的程度。 公式： T.C鲍威斯建立的水泥石强度与胶空比的关系如下： f=AXAn 式中：f水泥石抗压强度 A、n经验常数，与水泥石熟料矿物组成有关 XA水化水泥在水泥石体积中填充的程度,介于01之间。,（3）孔隙率理论,近年来不少学者相继提出以下强度与水泥石孔隙率的半经验公式： =0(1-P)B =0exp(-CP) =D.ln(P0/P) =0(1-E.P) 式中：水泥石抗压强度 0水泥石假想能达到的最大抗压强度 P孔隙率 P0最
15、大孔隙率，即孔隙率为 P0时，强度值为0 B,C,D,E均为常数。,（4）其他理论,2、水泥凝胶产生强度的原因,第一种类型物理吸引 水泥凝胶的比表面积约20万m2/kg, 胶粒间距很小，约15-30埃。通常把这种现象归于范德华力。 第二种类型化学键 这种结合较范德华力强的多。但化学键仅在胶粒的一小部分界面上发生。 注意：象水泥凝胶这样大的比表面积，并不是产生高强的必要条件。不能对物理和化学的两种结合分出主次，但是两者对水泥石的强度起着相当大的作用，这是无疑的。,（二） 变形,1、弹性模量 2、收缩变形 3 、徐变,（三）耐久性,抗冻性 抗渗性 抗化学侵蚀性,六、过渡区结构,研究背景 过渡区结构
16、 过渡区强度,（一）研究背景,混凝土的拉伸破坏为何呈脆性?而压缩破坏时为何具有一定的弹塑性? 混凝土各组分材料当分别以单轴压力试验时，直到破坏都保持弹性，而为何混凝土却表现为非完全弹性行为? 混凝土的抗压强度为何能较其抗拉强度高一个数量级? 水泥用量、水灰比和水化龄期均相同，为何水泥砂浆的强度比混凝土高? 为何混凝土的抗渗性比相应的水泥浆体低一个数量级? 混凝土暴露在火中，为何弹性模量的降低比抗压强度要快得多？,（二）过渡区结构,1、过渡区成因 2、过渡区模型 3、界面过渡区特点,1、过渡区成因,首先，贴近粗集料表面的水灰比大于混凝土的本体其结果孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多。 其次，水灰比值高，结晶约束小，此处所形成的结晶产物的晶体尺寸大。 再次，板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，以其C轴垂直于粗集料的表面
