孔隙结构
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课程：建筑材料物相分析
1.混凝土的显微孔结构
2.混凝土中的孔隙率 3.孔结构对混凝土耐久性的影响 4.孔结构与混凝土强度的关系
在硬化的水泥基混凝土中均含有数量不同、
大小不等的气孔，包括成型时残留气泡、
水泥浆体中的毛细孔和凝胶孔、接触处的
孔穴及水泥浆体的干燥收缩和温度变化而
引起的微裂纹等。
混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔 隙的大笑和构造有关。
水灰比是反映混凝土密实程度的主要因素 之一，而混凝土密实度是抗氯离子扩散能 力的主要因素
混凝土的渗透性随总孔隙率的增加而提高， 但两者之间并不存在简单的函数关系 总孔隙率高的混凝土，渗透性不一定就高， 因为孔隙率相同的混凝土可以有不同的孔 径分布，而后者对渗透性的影响显著，即 渗透性的提高一个要素是孔的连通性，如 果孔不是连通的，虽然有较高的孔隙率， 渗透性也不高，比如引气混凝土，虽然孔 隙率较大，但混凝土内部是密闭气泡，并 切断了毛细管通道，显著提高了混凝土的 抗渗性。
表3.1
图3.2
人们习惯于用强度来衡量混凝土的综合质 量，强度高的混凝土水胶比自然较低，密 实度较大，因此其渗透性较低，耐久性必 然也较好。
胶空比理论认为水泥石的强度主要决定于 水化物Hale Waihona Puke Baidu胶体在水泥石中填充的程度。
在1980年第七届国际水泥化学会议上， J .Jamber:提出下列结论: 1. 不同水化产物，虽然固相体积相同，也 既是孔隙率相同，强度有可能相差很大， 并把这归因于不同水化产物具有不同孔径 分布所致； 2. 孔隙率相同时，孔径越小，强度越高。
孔隙率的增大不利于混凝土的强度。一般
用经验法则来预测结果，空气含量增加1%，
强度下降5%左右，这仅是近似的预测，在
正常的含气量的范围内是有效的。
混凝土的耐久性是指混凝土在使用条件下 抵抗周围环境中各种因素长期作用而不破 坏的能力 混凝土的耐久性能主要包括抗渗、抗冻、 抗侵蚀、抗碳化、碱骨料反应等性能
在水泥和水搅拌形成净浆后，水泥颗粒之间的 间隙为水所填充，这就是以后孔隙结构成型的 容积。由于水化过程，这些间隙逐步被体积大 于熟料未水化矿物质的新的生成物所代替。新 生成物的结构颗粒粒径约为l0nm和大于l0nm， 并有同样大小的间隙。因此原来在水泥颗粒之 间的间隙被多孔材料——水泥胶体所取代。最初 水所占的部分体积形成大小不一的孔隙。
混凝土中孔隙按其所处的位置可以分成三 类：水泥石的孔隙；骨料的孔隙；水泥石 和骨料交界面上的接触孔隙。 水泥基材料的孔系统：凝胶孔，特征尺寸 为0.5～l0nm的微观孔；毛细孔，平均半径 为5～5000nm的细观孔；由于故意带进空气 形成的大孔；由于不足够的密实形成的大 孔。
我国著名科学家吴中伟在1973年提出对混凝 土中的孔级划分和分孔隙率及其影响因素 的概念，根据不同孔径对混凝土性能的影 响分为无害孔级(<20nm )、少害孔级(20～ 50nm )、有害孔级(50～200nm)和多害孔级 (>200nm)，并提出：增加50nm以下的大孔， 减少100nm以上的孔，对混凝土的性能可大 大改善。
硅 酸 盐 水 泥 浆 体 微
观 结 构 发 展 示 意 图
未水化颗粒 充水毛细孔
C-S-H凝胶
氢氧化钙
混凝土中的孔隙率，除了成型密实的因素 外，主要取决于水灰比的大小。随着水灰 比的减小，孔隙率降低，而总孔隙表面积 增加。从孔径的分布上，水灰比较小时， 水泥石中不仅总孔隙减少，平均孔径降低， 大孔、毛细孔含量相对较少，而且凝胶孔 含量相对较多。
混凝土的抗冻性与其内部结构有直接关系,与混 凝土孔径大小,分布和孔隙率都有关。从表3.1 和 图3.2 中可以看出,R—1 号试样的总孔体积、孔隙 率、平均孔径以及最可几孔径均比R—2 号试样小 很多,两者都是无害孔d ≤50 nm 范围的孔占多数, 但区别在于两者各孔径范围的孔所占总孔隙率的 比例分布不一致。虽然R—2 号试样d ≥100 nm 的 有害孔相对较少,但R—2 号试样总孔隙率和孔体 积均为R—1 号试样的2 倍多,最可几孔径为R—1 号 试样的4 倍左右。 R—1 号试样孔径分布相对均匀 合理。 多次冻融循环实验表明R—1 号试样的抗冻性较好
孔隙率、平均孔径与氯离子扩散 系数的关系图
图3.1 孔隙率、平均孔径与氯离子扩散系数的关系图
混凝土的抗冻性能主要取决于混凝土的密 实度、每部孔隙的大小与结构以及含水量 混凝土内部存在不同直径的孔,一般认为这 些孔对混凝土的抗冻性有不利的影响 孔径大小决定了混凝土中孔溶液的冰点,一 般孔径越小,冰点越低,成冰率也低,从而减小 因结冰引起的对混凝土的破坏,提高混凝土 的抗冻性
右表为根据J .Jamber 强度-平均孔半径曲线 得到的结果，显示当 平均孔径为10nm时， 抗压强度值大于 140MPa；而当平均孔 径为500-1000nm时， 强度则小于5.0MPa； 差别非常明显。
1.混凝土的显微孔结构
2.混凝土中的孔隙率 3.孔结构对混凝土耐久性的影响 4.孔结构与混凝土强度的关系
在硬化的水泥基混凝土中均含有数量不同、
大小不等的气孔，包括成型时残留气泡、
水泥浆体中的毛细孔和凝胶孔、接触处的
孔穴及水泥浆体的干燥收缩和温度变化而
引起的微裂纹等。
混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔 隙的大笑和构造有关。
水灰比是反映混凝土密实程度的主要因素 之一，而混凝土密实度是抗氯离子扩散能 力的主要因素
混凝土的渗透性随总孔隙率的增加而提高， 但两者之间并不存在简单的函数关系 总孔隙率高的混凝土，渗透性不一定就高， 因为孔隙率相同的混凝土可以有不同的孔 径分布，而后者对渗透性的影响显著，即 渗透性的提高一个要素是孔的连通性，如 果孔不是连通的，虽然有较高的孔隙率， 渗透性也不高，比如引气混凝土，虽然孔 隙率较大，但混凝土内部是密闭气泡，并 切断了毛细管通道，显著提高了混凝土的 抗渗性。
表3.1
图3.2
人们习惯于用强度来衡量混凝土的综合质 量，强度高的混凝土水胶比自然较低，密 实度较大，因此其渗透性较低，耐久性必 然也较好。
胶空比理论认为水泥石的强度主要决定于 水化物Hale Waihona Puke Baidu胶体在水泥石中填充的程度。
在1980年第七届国际水泥化学会议上， J .Jamber:提出下列结论: 1. 不同水化产物，虽然固相体积相同，也 既是孔隙率相同，强度有可能相差很大， 并把这归因于不同水化产物具有不同孔径 分布所致； 2. 孔隙率相同时，孔径越小，强度越高。
孔隙率的增大不利于混凝土的强度。一般
用经验法则来预测结果，空气含量增加1%，
强度下降5%左右，这仅是近似的预测，在
正常的含气量的范围内是有效的。
混凝土的耐久性是指混凝土在使用条件下 抵抗周围环境中各种因素长期作用而不破 坏的能力 混凝土的耐久性能主要包括抗渗、抗冻、 抗侵蚀、抗碳化、碱骨料反应等性能
在水泥和水搅拌形成净浆后，水泥颗粒之间的 间隙为水所填充，这就是以后孔隙结构成型的 容积。由于水化过程，这些间隙逐步被体积大 于熟料未水化矿物质的新的生成物所代替。新 生成物的结构颗粒粒径约为l0nm和大于l0nm， 并有同样大小的间隙。因此原来在水泥颗粒之 间的间隙被多孔材料——水泥胶体所取代。最初 水所占的部分体积形成大小不一的孔隙。
混凝土中孔隙按其所处的位置可以分成三 类：水泥石的孔隙；骨料的孔隙；水泥石 和骨料交界面上的接触孔隙。 水泥基材料的孔系统：凝胶孔，特征尺寸 为0.5～l0nm的微观孔；毛细孔，平均半径 为5～5000nm的细观孔；由于故意带进空气 形成的大孔；由于不足够的密实形成的大 孔。
我国著名科学家吴中伟在1973年提出对混凝 土中的孔级划分和分孔隙率及其影响因素 的概念，根据不同孔径对混凝土性能的影 响分为无害孔级(<20nm )、少害孔级(20～ 50nm )、有害孔级(50～200nm)和多害孔级 (>200nm)，并提出：增加50nm以下的大孔， 减少100nm以上的孔，对混凝土的性能可大 大改善。
硅 酸 盐 水 泥 浆 体 微
观 结 构 发 展 示 意 图
未水化颗粒 充水毛细孔
C-S-H凝胶
氢氧化钙
混凝土中的孔隙率，除了成型密实的因素 外，主要取决于水灰比的大小。随着水灰 比的减小，孔隙率降低，而总孔隙表面积 增加。从孔径的分布上，水灰比较小时， 水泥石中不仅总孔隙减少，平均孔径降低， 大孔、毛细孔含量相对较少，而且凝胶孔 含量相对较多。
混凝土的抗冻性与其内部结构有直接关系,与混 凝土孔径大小,分布和孔隙率都有关。从表3.1 和 图3.2 中可以看出,R—1 号试样的总孔体积、孔隙 率、平均孔径以及最可几孔径均比R—2 号试样小 很多,两者都是无害孔d ≤50 nm 范围的孔占多数, 但区别在于两者各孔径范围的孔所占总孔隙率的 比例分布不一致。虽然R—2 号试样d ≥100 nm 的 有害孔相对较少,但R—2 号试样总孔隙率和孔体 积均为R—1 号试样的2 倍多,最可几孔径为R—1 号 试样的4 倍左右。 R—1 号试样孔径分布相对均匀 合理。 多次冻融循环实验表明R—1 号试样的抗冻性较好
孔隙率、平均孔径与氯离子扩散 系数的关系图
图3.1 孔隙率、平均孔径与氯离子扩散系数的关系图
混凝土的抗冻性能主要取决于混凝土的密 实度、每部孔隙的大小与结构以及含水量 混凝土内部存在不同直径的孔,一般认为这 些孔对混凝土的抗冻性有不利的影响 孔径大小决定了混凝土中孔溶液的冰点,一 般孔径越小,冰点越低,成冰率也低,从而减小 因结冰引起的对混凝土的破坏,提高混凝土 的抗冻性
右表为根据J .Jamber 强度-平均孔半径曲线 得到的结果，显示当 平均孔径为10nm时， 抗压强度值大于 140MPa；而当平均孔 径为500-1000nm时， 强度则小于5.0MPa； 差别非常明显。