第二章 混凝土的结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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
SEM of calcium hydroxide
Large calcium hydroxide crystals precipitated in an entrained air void
• 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。
SEM of AFt
AFt crystals need space to grow so they are often found in large air voids
200 ×
2000 ×
AFt(局部视图）
水化硫铝酸钙
5000 ×
(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。
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。
Interfacial (Transition Zone) Phase
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。
过渡区形成原因
Development Reasons of Interfacial Transition Zone (ITZ)
混凝土微结构是复杂与非匀质的
Microstructure of Concrete is Complex and Heterogeneous
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
Microstructure of Concrete is Complex and Heterogeneous
泊松比(ν)
0.11 ~ 0.23
0.25
0.07~ 0.22 ~ 0.11 0.19 ~ 0.27 0.25 ~ 0.28
2) 硬化水泥浆体相
Hardened Cement Paste Phase
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
1) 靠近集料颗粒存在一个薄弱的过渡区(厚度约10～50 μm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。
第二章 混凝土的结构 The Structure of Concrete
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
Modeling of structure-property
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。
cement paste linear up to failure • Concrete stressstrain response (elastic) in between aggregate and cement paste • Concrete does not have a linear behavior up to failure
• 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。
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。
不同骨料的表观密度
• 普通骨料 2700 kg/m3 • 轻骨料 ～1000 kg/m3 • 重骨料 > 4000 kg/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
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂岩 白云岩 石灰岩 大理岩
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（100~700 m2/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。
1) 骨料相Aggregate Phase
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。
For example： 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）
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Байду номын сангаас。
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。
3) 界面（过渡区）相
• 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。
1) 几何形态(geometry) 2) 状态与性质(state-property) 3) 界面的影响（effect of interface）
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。
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)
高水灰比区
低水灰比区
Typical stress-strain diagrams of cement
paste, aggregate, and concrete
Points to note: • Aggregate and
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 结 构
孔隙
水泥石的结构
砂粒
水化硅酸钙
未水化水泥颗粒 氢氧化钙
硬 化 水 泥 石 的 水 化 产 物
2014年3月8日10时58分
水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）
钙矾石
C-S-H
电镜下的水泥水化产物图
CH Crystal 氢氧化钙晶体
C-S-H 水化硅酸钙凝胶
混凝土的宏观结构
线胀系数(10-6/℃)
1.8 ~ 11.9 4.1 ~ 10.3 3.6 ~ 9.7 4.3 ~ 13.9 6.7 ~ 8.6 0.9 ~ 12.2 1.1 ~ 16.0
几种岩石的弹性模量与泊松比
岩石种类
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂岩 凝灰岩 石灰岩 大理岩
弹性模量(GPa)
6.0~ 60.0 60.0~80.0 70.0~110.0 6.0~ 25.0 2.0~ 20.0 30.0~40.0 50.0~80.0
混凝土中的泌水及对界面的影响
2014年3月8日10时58分
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；
• 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。
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。
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。
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 l CH定向排列
硬化混凝土界面过渡区结构模型
CH Pores
界面区的结构
混凝土结构的形成
不同尺度下的水化 硅酸钙
SEM of calcium hydroxide
Large calcium hydroxide crystals precipitated in an entrained air void
• 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。
SEM of AFt
AFt crystals need space to grow so they are often found in large air voids
200 ×
2000 ×
AFt(局部视图）
水化硫铝酸钙
5000 ×
(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。
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。
Interfacial (Transition Zone) Phase
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。
过渡区形成原因
Development Reasons of Interfacial Transition Zone (ITZ)
混凝土微结构是复杂与非匀质的
Microstructure of Concrete is Complex and Heterogeneous
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
Microstructure of Concrete is Complex and Heterogeneous
泊松比(ν)
0.11 ~ 0.23
0.25
0.07~ 0.22 ~ 0.11 0.19 ~ 0.27 0.25 ~ 0.28
2) 硬化水泥浆体相
Hardened Cement Paste Phase
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
1) 靠近集料颗粒存在一个薄弱的过渡区(厚度约10～50 μm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。
第二章 混凝土的结构 The Structure of Concrete
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
Modeling of structure-property
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。
cement paste linear up to failure • Concrete stressstrain response (elastic) in between aggregate and cement paste • Concrete does not have a linear behavior up to failure
• 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。
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。
不同骨料的表观密度
• 普通骨料 2700 kg/m3 • 轻骨料 ～1000 kg/m3 • 重骨料 > 4000 kg/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
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂岩 白云岩 石灰岩 大理岩
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（100~700 m2/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。
1) 骨料相Aggregate Phase
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。
For example： 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）
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Байду номын сангаас。
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。
3) 界面（过渡区）相
• 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。
1) 几何形态(geometry) 2) 状态与性质(state-property) 3) 界面的影响（effect of interface）
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。
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)
高水灰比区
低水灰比区
Typical stress-strain diagrams of cement
paste, aggregate, and concrete
Points to note: • Aggregate and
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 结 构
孔隙
水泥石的结构
砂粒
水化硅酸钙
未水化水泥颗粒 氢氧化钙
硬 化 水 泥 石 的 水 化 产 物
2014年3月8日10时58分
水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）
钙矾石
C-S-H
电镜下的水泥水化产物图
CH Crystal 氢氧化钙晶体
C-S-H 水化硅酸钙凝胶
混凝土的宏观结构
线胀系数(10-6/℃)
1.8 ~ 11.9 4.1 ~ 10.3 3.6 ~ 9.7 4.3 ~ 13.9 6.7 ~ 8.6 0.9 ~ 12.2 1.1 ~ 16.0
几种岩石的弹性模量与泊松比
岩石种类
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂岩 凝灰岩 石灰岩 大理岩
弹性模量(GPa)
6.0~ 60.0 60.0~80.0 70.0~110.0 6.0~ 25.0 2.0~ 20.0 30.0~40.0 50.0~80.0
混凝土中的泌水及对界面的影响
2014年3月8日10时58分
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；
• 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。
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。
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。
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 l CH定向排列
硬化混凝土界面过渡区结构模型
CH Pores
界面区的结构
混凝土结构的形成