chap4-高性能混凝土的組成與結(jié)構(gòu)

第四章高性能混凝土的組成與結(jié)構(gòu)Chap4Componentsandstructureofhighperformanceconcrete第一節(jié)普通混凝土的組成與結(jié)構(gòu)

混凝土中的三個重要環(huán)節(jié)：水泥石、界面過渡區(qū)、集料

混凝土結(jié)構(gòu)的三個層次：粗觀結(jié)構(gòu):Macrostructure(宏觀結(jié)構(gòu))＞mm細(xì)觀結(jié)構(gòu):Submicrostructure(亞微觀結(jié)構(gòu))μm微觀結(jié)構(gòu):Microstructurenm第四章高性能混凝土的組成與結(jié)構(gòu)Chap4Componentsandstructureofhighperformanceconcrete1.硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)

第一節(jié)普通混凝土的組成與結(jié)構(gòu)

硬化水泥漿體水化物（水泥凝膠）未水化顆粒及其他雜質(zhì)孔無定形相結(jié)晶相結(jié)晶相氣孔毛細(xì)孔硅酸鹽水化物凝膠凝膠孔凝膠水氫氧化鈣鐵鋁相水化物水化硫鋁酸鈣水化單硫鋁酸鈣C-S-H凝膠及其結(jié)構(gòu)

關(guān)于C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)，到目前為止仍然沒有一個確定的結(jié)論，采用不同研究方法、不同測試手段得到的結(jié)果各不相同，眾多研究者根據(jù)各自的研究結(jié)論建立了多種C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)模型?！?〕Kantro認(rèn)為水泥漿體水化得到的C-S-H凝膠是Tobermorite(雪硅鈣石)層狀結(jié)構(gòu)中間夾著CH分子層；〔2〕Stade和Wieker認(rèn)為Ca2+、OH-可以存在于Tobermorite層狀結(jié)構(gòu)中間形成C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)；〔3〕Fujii和Kondo認(rèn)為C-S-H凝膠是1.4nmTobermorite和CH的固溶體；〔4〕Taylor那么認(rèn)為C-S-H凝膠既包含類Tobermorite結(jié)構(gòu)，也含類Jennite(羥基硅鈣石)結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)相互穿插融合，形成高度無序的結(jié)構(gòu)。氫氧化鈣及其結(jié)構(gòu)

Ca(OH)2是硬化硅酸鹽水泥石中的另一種重要組分，在充分水化的水泥漿體中，Ca(OH)2的含量大約占20%左右，主要來源于水泥熟料礦物C3S、C2S的水化Ca(OH)2的存在與水泥石孔溶液堿度、混凝土的抗鋼筋銹蝕性能、抗碳化性能、抗溶蝕性能、體積變形性能等密切相關(guān)。在水泥石中，Ca(OH)2以兩種形式存在：獨(dú)立存在的氫氧化鈣晶體和不穩(wěn)定的Ca(OH)2。鈣礬石及其結(jié)構(gòu)

硬水泥石中的鈣礬石(AFt)呈六角棱柱晶體，長徑比較大，在顯微鏡下經(jīng)?？吹狡湫蚊矠獒槧罹w。它的化學(xué)式為3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O，它是在[Al(OH)6]3-八面體的周圍結(jié)合3個Ca-O多面體組成柱狀的根本結(jié)構(gòu)單元，柱間的溝槽有二個水分子和三個SO42-基團(tuán)。鈣礬石(AFt)、單硫型硫鋁酸鈣(AFm)等鋁相物質(zhì)在水泥水化產(chǎn)物中含量約7%左右。水泥石中的孔

水泥石中的孔的分類：按尺寸大小可大致分為以下4種：(1)凝膠孔，包括凝膠粒子之間的孔和凝膠粒子內(nèi)孔，其孔徑約為1.2~3.2nm；(2)過渡孔，主要是指外部水化物之間的孔，孔徑約為10~100nm;(3)毛細(xì)孔，主要是指沒有被水泥水化物所填充的原充水空間，其孔徑約為100~1000nm；(4)大孔，是指孔徑大于1000nm的孔。水泥石中的孔

孔增多對混凝土性質(zhì)影響混凝土體積密度減小混凝土受力的有效面積減小,強(qiáng)度降低導(dǎo)熱系數(shù)和熱容隨之減小透氣性,透水性,吸水性變大均勻分布的封閉微孔可提高混凝土抗凍性水泥石中的水

水泥石中的水的分類：(1)吸附水，以呈中性的水分子H2O存在，不參與水化物結(jié)構(gòu)，在分子力或外表張力作用下被吸附于固體粒子的外表或孔隙中，包括凝膠水和毛細(xì)管水。(2)結(jié)晶水，也以中性的水分子形態(tài)存在，但參與水化物晶格，有固定的配位位置;(3)化合水，也稱為結(jié)構(gòu)水，以O(shè)H-形態(tài)存在。水泥石中的水

混凝土與水有關(guān)的性質(zhì)

混凝土的體積穩(wěn)定性

混凝土的抗凍性混凝土的抗?jié)B性混凝土的耐久性2.界面過渡區(qū)(InterfacialTransitionZone,ITZ)

界面過渡區(qū)是存在于骨料與水泥漿體本體之間的一個薄區(qū)，其厚度一般為20~40μm(有的文獻(xiàn)10~50μm,0~100μm，根據(jù)研究和表征的方法不同在數(shù)據(jù)上存在一些差異。界面過渡區(qū)與水泥漿體本體相比較而言，由于一般孔隙率較高、CSH凝膠較少、存在大的定向排列的Ca(OH)2晶體，因此往往強(qiáng)度較低，被視為混凝土中的“薄弱環(huán)節(jié)”。SidneyMindess等人認(rèn)為在典型的混凝土中，骨料顆粒之間的平均間距為75~100μm，假設(shè)界面過渡區(qū)厚度為40μm，那么界面過渡區(qū)占膠凝材料基體總體積的20%~40%。界面過渡區(qū)形成的原因：①新拌混凝土階段和水化早期的顆粒堆積邊壁效應(yīng)，粒子絮凝成團(tuán)作用，微區(qū)泌水效應(yīng)，膠凝材料溶出離子的遷移、沉積與成核生長差異性，單邊生長效應(yīng)和脫水收縮效應(yīng)；②混凝土硬化過程中的收縮、骨料與漿體的膨脹系數(shù)差異等；③材料使用過程中的荷載作用，環(huán)境介質(zhì)侵蝕，凍融破壞和堿骨料反響等。影響界面過渡區(qū)特征的因素：①集料的性質(zhì)；②膠凝材料；③混凝土水灰比；④混凝土制作工藝。3.中心質(zhì)假說已故工程院資深院士吳中偉于1958年提出了水泥基復(fù)合材料的中心質(zhì)假說。3.中心質(zhì)假說各級中心質(zhì)和介質(zhì)之間都存在過渡層，中心質(zhì)以外所存在的組成、結(jié)構(gòu)和性能的變異范圍都屬于過渡層。各級中心質(zhì)和介質(zhì)都存在相互的效應(yīng)，稱為“中心質(zhì)效應(yīng)”。效應(yīng)所能到達(dá)的范圍稱之為“效應(yīng)圈”。過渡層是效應(yīng)圈的一局部。1.高性能混凝土的水泥石微結(jié)構(gòu)

第二節(jié)高性能混凝土的組成與結(jié)構(gòu)

按中心質(zhì)假說，在次中心質(zhì)和次介質(zhì)的尺度上，屬于次中心質(zhì)的未水化水泥熟料顆粒(H粒子)、屬于次介質(zhì)的水泥凝膠(L粒子)和屬于負(fù)中心質(zhì)的毛細(xì)孔組成水泥石。高性能混凝土中的H/L粒子比值比普通混凝土的高得多。1.高性能混凝土的水泥石微結(jié)構(gòu)

H/L粒子比存在最正確值，其原因在于：未水化水泥熟粒顆粒強(qiáng)度高而致密，水化的水泥凝膠那么膠凝性很強(qiáng)。未水化的水泥熟料顆粒周圍的水泥凝膠都是從熟料顆粒外表水化生成的，因此這種H粒子和L粒子之間的界面存在有利的效應(yīng)得到疊加，強(qiáng)度得以提高；在一定的孔隙率下，當(dāng)凝膠減少到一定程度時，缺乏以充滿H粒子之間的空隙時，強(qiáng)度反而會下降。也就是說，在次中心質(zhì)的尺度上，一定的孔隙率需要有一定量的次中心質(zhì)(即H/L粒子比)以形成足夠的效應(yīng)圈，起到效應(yīng)疊加的作用，改善次介質(zhì)。1.高性能混凝土的水泥石微結(jié)構(gòu)

高性能混凝土水灰比通常低于0.4，因而高性能混凝土水泥石孔隙率較低，孔徑較小。1.高性能混凝土的水泥石微結(jié)構(gòu)

高性能混凝土通常摻加了礦物摻合料，其參與水化反響的產(chǎn)物及其未反響的細(xì)顆粒就可填充水泥石的毛細(xì)孔，使混凝土更密實(shí)，有害的大孔減少，無害或少害的小孔或微孔增多，即孔結(jié)構(gòu)得到改善。的實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.高性能混凝土的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1.低水灰比提高了水泥石的強(qiáng)度和彈性模量，同時使水泥石和集料界面處水膜厚度減小，晶體生長的自由空間減小，晶粒變??；水灰比不同時CH顆粒尺寸的變化2.高性能混凝土的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2.摻入的活性摻合料與CH反響，增加CSH凝膠和AFt,減少CH量，使其富集程度和取向程度下降，界面區(qū)孔隙率下降；3.摻入高效減水劑也可使混凝土界面CH的取向程度大大減少，直到幾乎無取向，取向范圍也大大減少。外加劑對混凝土界面CH取向的影響3.高性能混凝土結(jié)構(gòu)模型

1.孔隙率很低，而且根本上不存在大于100nm的大孔；2.水化產(chǎn)物中CH減少，CSH和AFt增多；3.未水化顆粒多，未水化顆粒和礦物細(xì)摻料等各級中心質(zhì)增多，中心質(zhì)間距縮短，有利的中心質(zhì)效應(yīng)增多，中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)骨架得到強(qiáng)化；4.界面過渡層厚度小，并且孔隙率低，CH數(shù)量減少，取向程度下降，水化物結(jié)晶