材料结构与性能第四讲混凝土结构与性能关系

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材料结构与性能第四讲混凝土结构与性能关系
硬化水泥浆体的结构特征
关于硬化水泥浆体的结构,历史 上形成了较有影响的三种结构模 型,其共同点是均认为水泥石是 由不同相组成的多孔体,固相主 要是具有胶体分散度的亚微观晶 体,这些晶体可以吸附水、渗透 水,并在结构上保持(结合)一 定数量的水,其中T. C. Powers 等人认为,水泥与水发生水化作 用,首先在水泥颗粒的周围产生 凝胶,部分凝胶将逐渐生成纤维 状、针状及箔片状的无定形晶体。 当水分不足时,水泥不能全部水 化,存在未水化的水泥颗粒;当 水分过多时,多余的水分以游离 的形式存在其中。因此,硬化后 的水泥浆体是由水泥凝胶、结晶 水化物、未水化水泥颗粒、胶孔 水、毛细孔水、胶体表面吸附水 及空隙蒸发水等组成,材料如结构图与性能第四讲混凝土结构与性能关系
现代测试技术,给我们提供了在更深(细)层次上研究水泥浆体结 构的可能。研究发现[2-4][2-5],胶体和晶粒大都在胶体粒子的 尺度上(0.1μm),两者的比表面积都很大(100-400m2/g), 所以前面谈到的凝聚网与结晶网的区别,仅仅是一个术语问题。
由于水泥粒子的水化不是同时完成的,在水化初期每个水泥粒子形 成一个水化结晶中心,终凝后水化物的转移扩散又受到阻碍,加之 水化过程水分自始至终的存在,固体颗粒吸附水膜也同时存在,这 一切都似乎无法使水泥浆体形成一个完整的共价(或离子)键结晶 网络,而只能是胶粒(胶团)和晶粒的凝聚体。
混凝土结构与性能的关系
一、硬化水泥浆体的结构、性能与改性 二、界面区的特性及其与物理力学性能关系 三、分散相的作用及其作用机理 四、层状水泥基复合材料界面区组分对材料 性能影响
材料结构与性能第四讲混凝土结构与性能关系
一、硬化水泥浆体的结构、性能与改性
水泥基材料是属于多相多层次的复合材料,包括从组成水 泥基材料的原子-分子结构,晶粒-胶团-气孔的浆体结构, 胶体-细集料的砂浆结构,砂浆-粗骨料组成的素混凝土结 构以及混凝土-增强钢筋结构等。不同层次的材料组成与 结构,在不同深度与程度上影响着材料的宏观物理力学性 能。当然,在研究材料的某一具体性能时,也必须考虑各 个层次的综合影响,包括层次交叉和交互作用。
人们对水泥浆水化硬化的研究起始于19世纪80年代。1882年,Le Chatelier[2-1]提出了水泥浆硬化的结晶理论,他认为水泥与水混合 后,无水化合物溶解于水并与水形成水化物,因水化物溶解度比无水 化合物小而过饱和析晶。细长的水化物晶体具有较大的内聚力而交织 成体且具有强度。但硬化浆体内并不都是结晶体,Michaelis[2-2]又 提出了胶体理论,他认为水泥与水反应可形成氢氧化钙(CH)、水 化铝酸钙和钙矾石等晶体,但其溶解度较大而抗水性差,而使水泥石 具有较抗水性和强度的是溶解度更小的C-S-H凝胶。这些胶粒及晶体 随着水化的进行不断在水泥颗粒之间沉淀和迁移填充密实,内聚力不 断提高最后形成硬化致密的结构。此后A. A. Baikov又提出了水泥水 化凝结硬化的溶解—胶化—结晶三阶段理论(这三个阶段并无严格顺 序),并经P. A. Rebinder修正[2-3]趋于完善。
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水泥颗粒遇水后发生化学反应生成水化产物,达到过饱和状态时, 形成结晶和胶粒沉淀,这两类物质在三维空间上形成凝聚网络和结 晶网络。凝聚网络以范德华力吸附内聚,在胶粒接触点上还会ห้องสมุดไป่ตู้留 一层水膜,内聚力相对较弱,有可逆性;当微晶直接相连时,就形 成结晶网,结晶网的强度取决于单位体积内晶体数目、大小、接点 数和晶体本身的强度。这个结构不可逆,破坏后可由吸附力作用形 成凝聚网。凝聚网与结晶网相互穿叉交织在一起而形成水泥浆体的 硬化结构。这里凝聚网与结晶网的区分,主要不在结晶程度,而更 多的取决于接触点成键的本质。
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S. Dimond[2-4][2-5]及其后来众多的研究者均用SEM观察到水泥浆中 确实存在着结晶结构和凝胶的结构,但大都在0.1~1μm尺度内(CH可 有100μm大小)。Dimond还给出一个凝胶相和结晶相的数量关系,即 在成熟的水泥浆体中,水化硅酸钙(CSH)凝胶约占70%,CH晶相约占 20%,钙矾石(Aft)及单硫型水化硫铝酸钙(Afm)晶粒约占7%, (当然这是一个水泥浆完全水化的理想极限,因为水泥浆中总或多或少的 存在未水化水泥颗粒),且其中晶相粒子都偏大,也不可能形成网络结构, 只能是包裹在CSH凝胶内部。就CSH凝胶而言,胶粒均在μm级内,不同 部位的C/S还变化不定(0.89~3.0之间),且多为硅酸钙为-Si-O- Si-的二聚体、五聚体或八聚体[2-6],最大到十一聚体[2-7],聚体之 间靠氢键或分子键连接。尤其深入到更小层次,如在9~15Å内就观察不 到基底反射[2-8],因此有理由认为在这个尺度上已不存在层次结构,而 在9~15Å的尺度上形成化学键的可能性是不存在的。正像Powers[2-9] 指出的那样,在凝胶粒子中有28%的孔隙,粒子间主要靠范氏力作用, 或者说靠高表面自由能作用而形成强度。当然这与材料的受力环境(受拉 或受压)有关。S. Brunauer把受拉和受压两种形式分开考虑[2-10], 依据高频超声振动可以把互相粘附的微粒分开,而不能把象晶粒、胶粒再 分开的现象指出,受拉过程只需克服粒子间粘附力而受压过程则需要破坏 化学键。S. Chatterji等人[2-11]又从波特兰水泥和高铝水硬化水泥浆体 的拉压强度比不同(波特兰水泥为1/10左右,高铝水泥为1/30左右)附 和了Brunauer的观点,认为高铝水泥石结晶完整,晶粒粗大,表面能小, 所以抗拉强度较低、受压破坏时断裂的离子键多,故而抗压强度较高,拉 压比较小。Setzer和Wittmann[2-12]则从湿度的变化对表面自由能和 抗压强度的影响估计化学键和物理键对水泥浆结构强度的贡献各占50%。
水泥浆具有胶凝作用,在混凝土中呈现连续分布,称为连 续相或者基体,它把骨料相(分散相)牢固地胶结在一起, 形成混凝土并使其具有抵抗外力作用和环境侵蚀的功能。 所以,水泥浆连续相性能的优劣,直接影响着混凝土整体 的宏观行为。
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水泥浆体结构的形成过程
作为水硬性胶结材料,必须具备两个基本特征,即水化反应能力和生 成稳定凝聚结构能力。这就要求胶结材本身具有结构不稳定性,遇水 后有足够的水化反应活性,并能生成足够稳定的水化产物且彼此具有 较好的凝聚力。水泥正是这样一种材料。
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