关于混凝土微观结构的研究

关于混凝土微观结构的研究

摘要：近年来，随着我国综合国力的大幅提升，城市化进程不断的加快，各类建筑工程发展的速度也在突飞猛进的加快。因此混凝土在建筑中的的地位越来越高，得到的广泛的应用。混凝土的微观结构对其稳定性、强度和外观表型都有重要影响，本文就混凝土的微观结构进行简要讨论，为施工作业时提高工程质量提供一定的理论依据。

关键词：混凝土；微观结构，影响因素

国民经济的快速发展加快了我国城市化的步伐，建筑行业得到了快速发展。各种新型材料不断涌现，但是大量的调查研究表明，目前混凝土结构仍然是我国建筑结构的最主要的一种形式，而且可能在以后的较长一段时间内还是重要的建筑结构形式，被其它材料取代的可能性并不大。混凝土结构具有强的稳定性和很好的强度，与钢筋配合使用承载力大大增强。但是混凝土的这种优点也同时受到多种因素影响，如凝结时间、气孔结构、高温等因素都会影响混凝土的微观结构，进而影响到混凝土的强度、渗透性、耐高温性和耐磨性等性能。

1混凝土的微观结构的尺度分析

所谓微观尺度一般指的是纳米尺度，在这种尺度下混凝土的结构特征主要是水泥和硬化的水泥砂浆的内部微观结构，纳米尺度能够辨清硬化水泥砂浆的颗粒和空隙的结构情况。通过使用x射线、差热分析或者水银压入测孔法能够观察分析出混凝土内部复杂的空隙分布。在微观尺度分析的基础上，配合使用细观尺度和宏观尺度，能够精确的分析出混凝土的宏观性能。

2影响混凝土微观结构的因素

2.1混凝土凝结时间对微观结构的影响

岳汉威等（2008）研究表明混凝土工程施工过程中混凝土的凝结时间对其微观结构有重要影响。延长混凝土的凝结时间，加深了水泥水化反应的程度，这就使得水化反应向着生成C-S-H的反应方向进行的更加彻底，而且凝结事件延长后降低了混凝土结构中氢氧化钙晶体的含量，加强了内部过渡层与水泥基体之间的一致性和均一性。另外，延长凝结时间减小了混凝土结构内部的孔径和空隙率，微观结构显得更加致密。

2.2气孔结构对混凝土微观结构的影响

混凝土在宏观和微观上观察都有多孔的结构特征，这些气孔的形成是由多方面的化学和物理因素决定的。气孔的孔径分布、孔隙率都决定了混凝土的微观结构，进而影响混凝土的渗透性能。混凝土的气孔孔径越大，其微观结构越松散，宏观性能表现也就越差，如强度降低，渗透性增强。当气孔孔径分布较密集，气孔之间依靠凝胶空相连，孔隙率大大提高，混凝土内部形成连续的、贯通的网状

或蜂窝状结构，这对混凝土建筑的安全性有很大影响。

2.3高温对混凝土微观结构的影响

我国的建筑物大多采用混凝土结构，在遭受火灾情况下，恶劣的高温环境严重破坏混凝土的微观结构，使得钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的各种力学性能大幅降低，建筑物毁坏惨重，威胁人身安全，造成巨大的经济损失。研究表明，一般当温度超多400℃时，混凝土的力学结构就会遭受严重破坏；当环境温度高于300℃时，钢筋的力学结构就严重退化，所以高温对建筑的破坏性极大。随着温度的升高，混凝土内部的孔隙率呈增加的趋势，空隙分布与常温是相比范围更广，空隙的总面积大大增加。同济大学建筑系研究表明，随着温度升高，水泥浆体的松散程度大大增加，混凝土凝结是形成的水化产物的紧实程度明显降低，C-S-H凝胶结构出现裂缝，有时温度过高该结构就会消失，氢氧化钙和钙矾石等化学成分因高温而分解。其它众多研究都表明高温会破坏混凝土的微观结构，使得宏观性能大大降低。

3混凝土微观结构与宏观性能的关系

3.1混凝土微观结构与混凝土强度的关系

大量的研究结果表明，在使用相同材料的条件下，如果混凝土的微观结构不同，其对应的强度和耐磨性等一些宏观的性能具有显著差异。混凝土微观结构例如气孔结构、微观孔结构以及界面过渡区等都对宏观性能有影响，其中孔结构的影响最为直接。20世纪60年代国外一位学者就提出了混凝土强度与胶孔比之间的关系式：fc=Ax2.5，式中：x表示胶孔比，A表示凝胶固有强度，大约为200-300Mpa。胶孔比等于凝胶体积与凝胶体积和毛细孔体积之和的比值。从该公式可以看出，混凝土微观结构中空隙率直接影响了混凝土的强度和耐磨性能。混凝土的抗拉弯性能不仅与孔隙率有直接关系，而且孔径的分布状况、孔径的大小对抗拉弯也有一些影响，孔径在200nm以上的称为多害孔混凝土，100-200nm 属于又害孔混凝土，20-100nm之间属于少害混凝土，而20nm一下则为无害类的混凝土。

3.2混凝土微观结构与混凝土抗渗透性的关系

混凝土的渗透性是一个评价混凝土耐久性的综合指标，不仅你能够反映出混凝土抵抗外界侵蚀的能力，而且渗透性能直接或间接的影响到混凝土的其它性能。混凝土属于多孔多相结构，结构内部有供有害介质渗入的通道，因此混凝土的孔径大小和分布情况与其抗渗透性有密切关系。

已有研究证明混凝土的渗透系数随着微观结构中孔隙率的增加而显著增大。但是孔隙率并不是影响混凝土渗透系数的唯一因素，换言之即使使用孔隙率相同的材料，其抗渗透性能也可能存在显著差异，因为并不是所有的空隙都是介质渗透的通道。混凝土渗透性能的高低主要由混凝土内部空隙的连通状况决定，也受到介质渗透路径的曲折程度影响，也就是孔结构的特征影响渗透性。国外学者研

究发现当孔径大于1000纳米会严重影响混凝土的渗透性；小于50纳米的孔数量反映的是凝胶的数量，凝胶数量越高混凝土的抗渗透性越好。

4基于改善混凝土微观结构的措施

4.1控制气孔结构参数

选取合适的材料比例，控制好混凝土内部气孔结构参数，减小气孔的平均孔径，增加气孔之间的间距系数。控制好混凝土施工过程中凝结时间，有效的改善孔结构的一些特征参数，增强混凝土的物力承载力，提高其强度和耐磨性。在控制凝结时间方面可以利用缓凝高效减水剂，不仅能够延长混凝土的凝结时间，而且能够减少拌合用水量。参入这种物质可以减小内部孔径和孔隙率，空隙的利用率得到显著提高，紧实度也明显增加，在宏观上表现为抗压强度显著提高。

4.2优化设计混凝土材料参数

对混凝土的材料组成参数进行优化，减少用水量，一般控制用水量小于150千克每立方米。降低水泥的用量，但必须满足混凝土工程的抗渗透性，一般要控制水泥的用量小于360千克每立方米。优化砂浆体积分量，能够改善混凝土微观结构的空隙分布，减少蜂窝状结构的出现。

结语

近年来，混凝土作为建筑行业的主要结构，其施工作业技术得到快速发展。专家对混凝土的强度及其耐久性等宏观的使用性能的研究越来越重视，科研成果不断出现，被广泛应用到工程中的实例也越来越多。从微观角度研究混凝土的宏观性能已经成为混凝土研究的热点，揭露混凝土微观结构对其宏观性能的影响对提高混凝土使用性能有重要意义。因此，有关部门和科研单位以及建筑施工企业应该投入劳力和资本，加强对混凝土微观结构的研究，改善混凝土的使用能性能如强度、耐久性以及抗渗透性和抗腐蚀性能，延长建筑工程的使用寿命。而且我国地壳运动频繁，提高混凝土建筑的强度，能够有效的应对地震等灾害造成的破坏。

参考文献

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[2]冯长根，胡秀峰.2002 年我国事故与灾害状况综述[J].安全与环境学报，2003，3(3):68~73

[3]冯长根.2003 年我国事故与灾害状况综述[J].安全与环境学报，2005