四章：混凝土的结构课件.ppt

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1、第四章 混凝土的结构,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,本章教学目标,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,4.1 概 述材料的内部结构决定

2、着材料的性能，可以适当地改,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、水泥浆体和骨料间的过渡区,4.2 三组分学说（美国P.K.Metha),混凝土试件抛光后的断面,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,4.2.1 水化水泥浆体,硅酸盐水泥石显微结构发展示意图,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,硅酸盐水泥水化过程及水化产物 C3S 较快C3A 极快石,硅酸盐水泥水化放热曲线,硅酸盐水泥水化放热曲线,硅酸盐水泥水化过程,（1）钙矾石形成期： C3A率

3、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。 （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。,硅酸盐水泥水化过程（1）钙矾石形成期：,9,水泥硬化体内水化产物大致比例,9水泥硬化体内水化产物大致比例水泥硬化体AFt, AF

4、mC2,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,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,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,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,第四章：混凝土的结构课件,13,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

5、，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： 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。,13水的存在形式及其与水泥性能之间的关系（1）结构水：,第四章：混凝土的结构课件,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

6、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,水化水泥浆体中的微结构与性能的关系,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。,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,（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10

7、0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,（2）尺寸稳定性,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,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,（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

8、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,（3）耐久性,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,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

9、响着混凝土的容,粗集料颗粒的形状和表面构造,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。,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,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,4.2.3 过渡区,混凝土中水泥浆本体和过渡区的示意图,过渡区：水泥浆体与骨料结合的界面，是围绕大骨料周围

10、的一层薄壳,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,相同点：,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

11、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。,过渡区强度的决定因素,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

12、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,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,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,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

13、相分散在各级连续,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-S-H、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,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,骨料、增强材料（钢筋、钎维）,熟料、混合材水溶性聚合物,水,空气,粗粒、残渣,细 粒 活性 与

14、离解 部 分,非 胶 体,胶 体,结合水,毛细水,微中心质,微介质,次介质,次中心质,大中心质,大 介 质,大中心质p,层次III,层次II,层次I,水化,离解,界面III,界面II,界面I,骨料、增强材料熟料、混合材水空气粗粒、残渣细 粒 活性 与,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（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

15、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（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。,混凝土理想结构模型,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

16、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,中心质网络化,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

17、为外形体积的变化，而可能更多的反应在孔、缝的变化（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。,孔、缝对混凝土结构及性能的积极作用,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

18、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,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：4.4 四个结构层次（黄蕴,混凝土试件抛光后的断面,水化水泥浆体的微结构,混凝土试件抛光后的断面水化水泥浆体的微结构,对硬化混凝土的结构多层次的研究，主要是以弹性模量、抗压强度、断裂能和脆性作为研究的主要力学行为参数，可得出如下一些基本概念：（1）在混凝土的原子分子、细观和粗观诸层次上，组分、结构和界面在不同方面和不同程度上影响其宏观力学的性质。其综合影响，则决定了整体混凝土的宏观力学行为。所谓力学行为就是材料

19、发生变形和断裂的全部特征和过程（2）所谓“结构”，实际上是不同的键和结构元的集合，主要是不同键和界面的集合，而界面实际上是离子、分子或微晶体等组成的过渡区。从混凝土的结构形成到结构破损的整个过程中，始终贯穿着界面的形成、转移和消失，而且还会发生双电层的形成、转移和消失（3）能量是贯通所有结构层次的共同物理量，它也是确定组分结构界面性能关系的主要媒介。混凝土的抗拉强度是其单位体积内界面能的函数（4）键和结构元的集合总是统计性的，因而其一般性质也是统计性的（5）如果在应力作用下，应变能不能转变而及时消失，或者不在变形时的晶形转变中被消耗，又不能发生其它能耗，裂缝就会产生并使该应变能转变为表面能、棱

20、角能和棱边能。其中表面能是主要的，并会贮存在整个材料体系中，影响其力学行为（6）如果混凝土在所受的应力下，不同层次的组分、结构和界面，能自动转变至对抗力更为合适的状态，则其抗变形性其强度就能提高（7）孔隙不仅在粗观层次而且在细观层次影响混凝土的力学行为。孔的形状和尺寸在这种影响中其重要的作用,对硬化混凝土的结构多层次的研究，主要是以弹性模量、抗压强度、,可以通过改变各个不同结构层次上的组分、结构与界面，得到一系列具有特殊物理力学性能的混凝土，如：（1）通过增加硬化水泥浆体中硅酸盐阴离子团的聚合度，即在原子分子层次上改变其组分结构界面，能制备出增聚硅酸盐水泥材料（2）通过改变界面间键的性质来改变

21、原子分子层次上的组分结构界面，在普通水泥浆体中加入适量的有机外加剂，能改变骨料和粘结剂之间的键的性质，因而明显地影响所制备的混凝土的强度和脆性（3）为了改变细观层次上的组分结构界面，在20.3MPa压力下，将聚合物浸渍到干燥的水泥砂浆的微裂缝可微孔中进行聚合，所制备的聚合物浸渍混凝土具有204MPa的超高强抗压强度，在破坏是带有暴裂性质的高脆性（4）通过同时改变原子分子及细观层次上的组分结构界面，已制备出聚合物浸渍聚合物水泥混凝土材料（5）保持硬化水泥浆体中的总孔隙率不变，通过孔的比表面积的变化，可以改变细观层次上的组分结构界面（6）为了在粗观层次上改变普通水泥混凝土的组分结构界面，改变粗骨料的表面性质，随之也就改变了水泥浆体骨料界面的性质。,可以通过改变各个不同结构层次上的组分、结构与界面，得到一系列,总 结 硬化混凝土的结构与性能以及工艺过程存在着密,