水泥混凝土内部结构组分及其性能影响

水泥混凝土内部结构组分及其性能影响

摘要：水泥混凝土在特定环境条件下的性能主要取决于它的内部结构，主要包

括宏观、细观、微观结构。借助中心质理论是掌握其内部结构的形成过程及其性

能的内在关系，就可以通过控制混凝土内部结构的形成，来获得指定性能的混凝土。

关键词：混凝土；中心质理论；微观结构；细观结构；宏观结构；

1引言

混凝土是将胶凝材料、水和粗、细集料按一定比例配合，经均匀拌合、密实

成型及养护硬化后制成的一种人造石材，其内部结构是极其复杂的。在分析混凝

土的内部结构时，必须考虑到粗集料、细集料、未水化水泥颗粒、水泥凝胶、各

种孔、缝及水分等各种不同的相对混凝土的影响，而这也是非常困难的。

2混凝土内部结构

混凝土中结构形成的条件、研究结构的方法及在一定程度上具有独立研究的

可能性，通常将混凝土的内部结构分成三种基本结构来研究：宏观结构—由粗集

料和水泥砂浆而组成的两相复合材料；细观结构—混凝土中水泥砂浆的结构；微

现结构—水泥浆体的结构。

2.1混凝土内部宏观结构

从宏观角度看，混凝土是由粗集料一般为石子为分散相和水泥砂浆为基相组

成的两相复合材料，具有宏观堆聚结构。按照分散相及基相比例不同，混凝土的

宏观堆聚结构可分为三类：

a）当水泥砂浆的数量远超过粗集料颗粒之间的空隙体积时，混凝土的性能主要取决于水泥砂浆的性质，集料的性质对它影响不大。

b）粗集料数量增加，粗集料颗粒彼此靠拢，当它们靠近至尚未直接接触，被一层极薄的水泥砂浆层隔开时，粗集料构成了成“骨架”结集型结构。

c）粗集料颗粒之间的空隙体积不能完全被水泥砂浆所填充时，粗集料颗粒之

间彼此可以直接接触，形成“接触”集结型结构。

2.2混凝土内部细观结构

从细观角度也即混凝土中水泥砂浆的结构角度看，混凝土是由细集料一般以

砂为分散相和硬化水泥浆为基相组成。混凝土中的水泥物化状态、外加剂机理、

细磨掺合料的作用机理等方面多以水泥砂浆的复合结构为基础。而影响水泥砂浆

细观结构的关键因素主要有：水泥的化学矿物成分、颗粒细度与微级配、水灰比、外加剂的作用、搅拌与密实工艺、硬化条件等。水泥砂浆就是由这些因素相互综

合作用生成的具有完全确定的物理力学性能与物化特征的细观结构。

2.3混凝土内部微观结构

从微观角度也即水泥浆体结构角度看，水泥浆体是一种多孔体，它由水泥凝胶、残余的未水化水泥熟料等固相，以吸附水的形式存在的或凝聚于孔中的水而

形成的液相以及存在孔中的气相而构成。在水泥水化过程中，上述各组成相的数

量及结构都在不断地发生变化。包括：

a）水泥凝胶的结构。包括原子结构层次的凝胶结构，尺度约几毫微米；粒子结构层次的凝胶结构，尺度约几微米；“微组构”，即从几十或几百微米的尺度研

究粒子是如何聚集物质的微观结构。

b）水泥浆体的孔结构。包括凝胶孔、毛细管孔。

凝胶孔就是水泥凝胶粒子间的空间，胶孔尺寸平均约为18埃。在水泥水化的

各个阶段所形成的水泥凝胶具有孔隙率相同的结构，进一步水化对原先形成的水

泥凝胶的孔结构无重大影响。

毛细管孔为由水泥凝胶粒子组成的多孔密集体之间的空间，尺寸一般介于1-

10毫微米，其数量及结构与初始水灰比及水泥水化程度有关。

c）水泥浆体中水的形态，包括可蒸发水和非蒸发水，其中非蒸发水为结合水。它以原子形态参加晶格，促使水化产物体积缩减比表面积增大。蒸发水包括：凝

胶水、毛细管水和游离水。

3中心质理论

把不同尺度分散相称为中心质，把连续相称为介质。如钢筋、集料、纤维等

称为大中心质；水化产物称为介质；少量空气和水称为负中心质。各级中心质和

介质之间存在过渡层，中心质以外所存在的组成、结构和性能的变异范围都属于

过渡层。各级中心质和介质都存在相互的效应，称为“中心质效应”。

4混凝土内部组分对混凝土性能影响

依据中心质假说和中心质效应，做出混凝土各层次复核结构构成示意图（图1）。

图1 混凝土各层次复合结构构成示意图

4.1宏观层次

该层次上，以集料、钢筋、纤维及聚合物为大中心质，而水泥浆为宏观分散

介质。其中的负中心质包括大孔、裂纹、水囊等。其中各相性质、数量、界面联

结状态等直接决定混凝土的性能。而混凝土试件的破坏是从局部薄弱部位开始的，这些薄弱部位就是指大孔、裂纹等负中心质。根据材料的最薄弱环节理论，最薄

弱部位决定混凝土整体强度，所以负中心质决定混凝土整体强度。通过改进施工

工艺，注意混凝土的后期养护，提供一个优良的水化环境等均可以减小负中心质

的影响，提高混凝土强度。

4.2细观层次

该层次上，未溶解的水泥颗粒、掺合料为正中心质，水化物如托贝莫来石（CSH）凝胶、可蒸发水为分散介质，毛细孔和凝胶孔等有害孔为负中心质。在

这个层次上，负中心质也就是有害孔的数量和分布对水泥浆结构影响最大。凝胶孔：随着水化度的提高而增加，使大孔隙减少，小空隙增加，但总体上对混凝土

强度有利。毛细孔：是水泥浆中多余水分蒸发的连通孔隙，虽然多了会影响混凝

土强度，但是对混凝土抗渗有利。

4.3微观层次

该层次上，明矾石、Ca（OH）2等结晶物微观颗粒为该层次上的中心质，水

化凝胶、水为分散介质，凝胶孔等为负中心质。结晶体物质主要是联系细观结构

上的中心质，组成结构膜层。越多的结晶物，可以尽早形成比较完善的水泥砂浆

结构，从而提高混凝土早期的强度。影响混凝土后期强度的同样是凝胶体，需减

少孔隙率，消除界面影响。

5结语

水泥混凝土内部结构是极其复杂的，利用中心质理论，掌握其内部结构的形

成过程及其性能的内在关系，就可以通过控制混凝土内部结构的形成，来获得指

定性能的混凝土。不仅可以提高混凝土强度和耐久性，用最少的原料做出更好的

混凝土，还可以对未来混凝土的改进指定研究方向。所以研究混凝土内部结构组

分及不同组分对其性能的影响是非常有意义的。

参考文献：