第四章：混凝土的结构

孔、缝对混凝土结构及性能的积极作用
（1）孔、缝既能为水泥的继续水化提供水源及供水通道，又可成为水化产物生长 的场所，从而为混凝土结构及其性能的发展创造条件
（2）由于混凝土中形成了各种中心质的网络骨架，所以荷载、干湿、温度等外界 因素的作用，并非完全反应为外形体积的变化，而可能更多的反应在孔、缝的 变化
4.4 四个结构层次（黄蕴元教授）
根据材料的结构特征划分为4个层次： （1）原子－分子 （2）细观：10nm-1mm,研究内容：硬化水泥浆体
的孔隙率、晶体与胶体的比例和不同相之间的 界面 （3）粗观:1mm到几厘米 （4）宏观：工程结构单元尺度
（3）结构形成和发展期：
放热速率很低，体系逐渐处于稳定。随着各种水化产物的增多，填 入原先由水所占据的空间，再逐渐连接，相互交织发展成硬化的水泥浆 体。
水泥硬化体内水化产物大致比例
水泥
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水泥硬化体
C3S
C2S C3A C4AF 石膏
C-S-H凝胶 （～70%）
Ca(OH)2 （～20%） AFt, AFm （～10%）
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单硫型硫铝酸盐水化物六方晶体和 钙矾石针状晶体的扫描电镜照片
水化良好的硅酸盐水泥浆体模型
水泥石中孔
水泥石中为什么会出现孔隙？
孔的分类、孔尺寸及其与水泥石性能之间的关系
孔类别 孔名称
孔直径
孔中水的状态
对水泥石性能的影响
粗 孔 球形大孔 1000～15m 与普通水一样
强度，渗透
毛细孔 凝胶孔
大毛细孔 小毛细孔
混凝土是一种复合材料，具有高度的不均匀性，是多相（气相、液相、固相三者 兼而有之）、多孔的材料
粗集料
泌水形成 的孔隙
细集料 水泥浆 孔隙
4.2 三组分学说（美国P.K.Metha)
从宏观来看，混凝土可看作是由集料颗粒分散在水泥浆 体基体中所组成的两相材料
硬化混凝土的结构组成：水化水泥浆体、骨料、水泥
料颗粒间的搭接作用，由于该搭接作用的薄弱，不能很好的传递应力，故 混凝土的刚性较小，特别是在暴露于火或高温环境中，由于微裂缝的扩展 更为激烈，使混凝土的弹性模量比抗压强度降低得更快、更多
对耐久性的影响：由于存在于其中的微裂缝的贯通性，混凝土的抗
渗性比水化水泥浆体的水化砂浆均差。甚至对钢筋的锈蚀也有不良的影响
4.3 中心质假说（吴忠伟教授）
将混凝土作为一种复合材料，混凝土是由各级 分散相分散在各级连续相中而组成的多相聚集 体
各级分散相命名为中心质，各级连续相命名为 介质
中心质和介质根据尺度各分为大、次、微3各层 次，即大中心质、次中心质、微中心质和大介 质、次介质和微介质
大中心质包括：各种骨料、掺合料、增强材料、长期残 存的未水化的水泥熟料
（4）各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级介质中，因此，也是中心 质。尺度较大的孔对强度等性能不利，也不参加构成网络。因此，对其含量 及尺度应加以控制。
中心质网络化
（1）各种金属增强材料与金属增强材料网片在水泥基材料中形成的 中心质网络骨架
（2）不同尺度、不同性质的钎维增强材料在水泥基材料中形成的大 中心质与次中心质网络
（3）聚合物在混凝土中所形成的次中心质网络
（4）无宏观缺陷材料中大量未水化水泥熟料离子间充满的聚合物与 水化反应生成的相互交错的网状物所形成的次中心质与微中心质网 络
（5）聚合物与水泥两相间的化学键合作用形成的两相互穿网络结构 而成为次中心质与微中心质网络以及各种水化产物形成的针、柱状 结晶相互组成的微中心质网络
层次III 层次II 层次I
骨料、增强材料 熟料、混合材
水
（钢筋、钎维） 水溶性聚合物
粗 粒、 残 渣
大中心质
细 粒 活 水化 性 与 离 离解 解部分
非 胶 体 结合水
胶体
界
面
III
微中心质 微介质
界 面
II
次中心质
次介质
界 面
I
大介质
空气 毛细水
大中心质p
混凝土理想结构模型
（1）各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）分散在各级介质 （连续相）中。在中心质与介质间存在着过渡区的界面，是渐变的非匀质的 过度结构。结构组成的排列顺序为中心质－界面区－介质
浆体和骨料间的过渡区
混凝土试件抛光后的断面
4.2.1 水化水泥浆体
硅酸盐水泥石显微结构发展示意图
硅酸盐水泥水化过程及水化产物
C3S 较快
C2S 慢
C3A 极快
石膏
C4AF 快
C3SHx
C2SHy
C-S-H(C/S=1.5)+Ca(OH)2
C4AH13
C3A3CSH32
C3(A, F) 3CSH32
在水化水泥浆体中，渗透性和大于100nm孔隙的体积之间有直接关系
4.2.2 骨料相
骨料的容重、强度、粗骨料的形状和织构 与粒径等影响着混凝土的容重、弹性模量、 体积稳定性等 骨料相比混凝土其它两相的强度高，通常 不直接影响普通混凝土的强度，而是间接 影响混凝土的强度。 混凝土所用的粗骨料尺寸越大，长条或扁 平颗粒越多，都会使混凝土强度降低
胶粒间孔 微孔 层间孔
10～0.05m 与普通水一样 500～100Å 产生中等表面张力
100～25Å 25～5Å ＜5Å
产生强表面张力 强吸附 结构水
强度，渗透 强度，渗透，收缩
低湿度下的收缩 收缩，蠕变 收缩，蠕变
水的存在形式及其与水泥性能之间的关系
（1）结构水： 以OH-或以H2O形式存在与晶体结构中，有固定的或相对固定的位置
第四章 混凝土的结构
本章教学目标
教学目的和要求
掌握了解硬化混凝土的内部显微结构 认识混凝土内部结构的因素和变化规律， 以求达到改善其性能的目的
重点、难点 过渡区的结构
4.1 概 述
材料的内部结构决定着材料的性能，可以适当地改变材料的内部结构而予以改性
现代材料科学的核心是结构与性能的关系
在研究混凝土的各种性能（如：强度、弹性、收缩、徐变、开裂、耐久性等）时， 必须从混凝土内部结构来认识其内部的因素和变化规律，以求达到改善其性能的目 的
（3）尺寸较小的孔、缝，不但对混凝土的某些性能如强度、在一定水压下的抗渗 性无害，而且对轻质、隔热及抗冻性还有一定的益处
（4）可利用孔、缝网络来改善混凝土的结构，如用聚合物浸渍形成大中心质网络
孔、缝的分类
（1）原生孔缝：是混凝土在制备过程中即已形成并在养护后即已存在的孔缝
（2）次生孔缝：是在混凝土养护结束后，在使用过程中，由于荷载、温度变化、 化学侵蚀等外界因素以及内部的化学与物理化学变化的继续，在已硬化的混凝 土中所产生的新孔缝。
失水是相对湿度的函数
水泥砂浆的收缩是失水的函数
造成干缩的主要原因是饱和水泥浆体失去吸附水
（3）耐久性
保水的水化水泥浆体在尺寸上是不稳定的，只有在保持相对湿度在100％时， 才不会发生尺寸变化。
渗透性
渗透性的决定因素：固体微结构中孔径大小、连续性
总毛细孔隙率的决定因素
注：C-S-H层与层之间的空间和微细毛细孔的孔隙率对水化水泥浆体的渗透性 没有影响，随着水化程度的提高，尽管C-S-H层间的空间和微细毛细孔体积显著 增大，渗透性却显著降低
（2）网络化：是中心质的特征。各层次的中心质网络构成水泥基材料的骨架， 各级介质填充于各级中心质网络之间。强化网络骨架是提高水泥基材料性能 的一个必要条件
（3）界面区保证着中心质与介质的连续性。因此，界面区的优劣决定了水泥基 材料的强度、韧性、耐久性、整体性与均匀性的优劣。界面区不应是水泥基 材料中的薄弱部分，因为它的作用是将中心质的某些性能传给介质，应是有 利于网络结构的形成和中心质效应的发挥。强化界面区是提高水泥基材料性 能的又一个必要条件
C4(A, F)H13
C-S-H (C/S=1.5-1.8)
当石膏用完后还有 剩余C3A时
当石膏用完后还有 剩余C4AF时
C3ACSH12 C3(A, F)3CSH32
水化硅酸钙（微晶）
C3AH6
C3A(CS,CH)H12 C3(A, F)(CS,CH)H12 C3(A, F)H6
硅酸盐水泥水化放热曲线
自由水指以水分子的状态存在于大孔中的水，其性质、行为与普通的 水完全一样。
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水化水泥浆体中的微结构与性能的关系
（1）强度
水化水泥浆体的强度主要来源与固相产物的强度，固相产物的强度主要来源于 范德华引力的存在。两固相表面间的黏附力来自这种物理作用。细小的C-S-H、 硫铝酸钙水化物、六角形的铝酸钙水化物晶体拥有巨大的表面积和黏附力，硅酸 盐水泥的水化产物不仅彼此牢固地粘结在一起，而且还可以与表面积较小的固相， 例如:氢氧化钙、未水化熟料颗粒以及粗、细骨料颗粒粘结牢固。
材料的强度由其固相所决定，因此孔隙会对强度产生危害。
水化水泥浆体中毛细孔的体积，决定于水泥和水拌和开始水化时的水量和水化 程度
水灰比和水化程度对强度和渗透性的影响
水灰比与水化程度的结合决定水化水泥浆体的孔隙率。孔隙率和胶－空比均 与材料的强度和渗透性成指数关系。阴影部分表示水化水泥浆体中典型的毛细 孔隙率。
混凝土中水泥浆本体和过渡区的示意图
相同点：
➢ 与水泥浆体本体一样，硫酸钙和铝酸钙化合物溶解而产生钙、硫酸根、 氢氧根和铝酸盐离子，他们相互结合，形成钙矾石和和氢氧化钙
异点：
➢ 由于在贴近粗骨料表面的水灰比值高，此处所形成的结晶产物的晶体 也大
➢ 在此界面处所形成的骨架结构中的孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多 ➢ 板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，以其C轴垂直于粗骨料的
粗集料颗粒的形状和表面构造
新拌混凝土泌水示意图
混凝土试件在单轴压应力下的 剪切－黏结破坏
粒径较大，针片状的骨料表面易于集聚水膜，产生泌水现象，这些部位骨料－ 水泥浆体间的界面过渡区薄弱，易于形成微裂缝。
4.2.3 过渡区
过渡区：水泥浆体与骨料结合的界面，是围绕大骨料周围的一层
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10-15um，是混凝土性能中的一个薄弱 环节
次中心质包括：粒度小于10um的水泥熟料离子，属过 渡型组分
微中心质包括：水泥水化后生成的各种晶体，包括I、II 型C-S-H纤维状和网状结晶
大介质是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜层
次介质是次中心质所分散成的 连续相，其中有水化层
微介质是微中心质所分散成的连续相。III、IV型的C-SH、尺寸较小的不规则的离子和结构水及吸附水均可视 为该级的连续相
和数量。如Ca(OH)2中的OH-，C-S-H中的固定结合水，AFt和AFm中的 结晶水都属于这类水。 （2）吸附水：
吸附于毛细孔和凝胶孔表面的水，根据孔径大小的不同产生不同的吸 附作用。孔径细小的凝胶孔表面对其内的水具有强烈的吸附作用，导致 其沸点升高，冰点降低。毛细孔水产生的吸附作用比凝胶孔要小得多。 （3）自由水：
（2）尺寸稳定性
保水的水化水泥浆体在尺寸上是不稳定的，只有在保持相对湿度在100％时， 才不会发生尺寸变化。
自由水的蒸发，不会伴随产生收缩。为什么？
吸附水的蒸发会造成收缩。主要原因是因为在两个固相表面之间的狭窄空间里， 吸附水会引起拆开压，吸附水失去会使拆开压减小，引起系统收缩
C-S-H层状结构中以单分子水膜存在的层间水，在干燥条件严酷时，也会失去， 引起系统收缩
过渡区对混凝土性能的影响
对强度的影响：由于过渡区结构的强度低于水化水泥浆体和骨料相，
使混凝土在承受比水化水泥浆体和骨料强度低很多的荷载作用下而破坏； 在拉伸荷载作用下，微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速，因此，混凝土 的抗拉强度十分显著地低于抗压强度，呈脆性破坏
对刚性和弹性的影响：过渡区在混凝土中起着水泥砂浆基体和粗骨
表面 ➢ 随着水化的继续进行，结晶差的C-S-H以及氢氧化钙和钙矾石的2次较
小的晶体填充于由大钙矾石和氢氧化钙晶体所构成的骨架间孔隙内
过渡区强度的决定因素
（1）孔的体积和孔径大小 （2）氢氧化钙晶体的大小和取向层 （3）存在的微裂缝
过渡区强度低与水泥浆本体和水泥浆基体的原因
（1）在水化的早期，过渡区内的孔体积与孔径均比砂浆基体大 （2）大的氢氧化钙晶体粘结力较小，取向层结构为劈裂拉伸破坏提供了有 利的条件 （3）混凝土过渡区微裂缝的存在，是强度低的主要原因。
（1）钙矾石形成期：
硅酸盐水泥水化过程
C3A率先水化，在石膏存在的条件下迅速形成钙矾石。这是导致第一放 热峰的主要因素。
（2）C3S水化期：
C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二放热峰。有时会有第三放热峰 或在第二放热峰出现一个“肩峰”。一般认为，肩峰对应于钙矾石向单 硫型水化硫铝酸钙的转变。
C2S和铁相也参与了上述两个阶段的反应，但是发热量较小在曲线上反 映较小。