第二章混凝土組成結(jié)構(gòu)與性能--混凝土的微結(jié)構(gòu)

1、1第二章 混凝土微結(jié)構(gòu)與性能混凝土的微結(jié)構(gòu)2本章提要微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系是現(xiàn)代材料科學(xué)的核心。混凝土的微觀結(jié)構(gòu)高度不勻質(zhì)且十分復(fù)雜， 因此對(duì)其建立模型并可靠地預(yù)測(cè)期性能很困難。但是，了解混凝土各組分微結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系及其相互聯(lián)系，對(duì)性能進(jìn)行控制還是有益的。本章敘述混凝土的三個(gè)組成相的微結(jié)構(gòu)，包括水化水泥漿體、骨料和水泥漿、骨料之間的界面過渡區(qū)。最后，討論微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系對(duì)強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐久性的影響。3本章內(nèi)容2.1 定義2.2 重要性2.3 復(fù)雜性2.4 骨料相的微結(jié)構(gòu)2.5 水化水泥晶體的微結(jié)構(gòu)2.6 混凝土中的過渡區(qū)42.1 定義一個(gè)固體各個(gè)相的類型、數(shù)量、尺寸、形狀及其分布即構(gòu)成了該固體

2、的微結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)一般是指用肉眼可見的、粗大的微結(jié)構(gòu)；肉眼不可見的界限大約在1mm的1/5（200m）?！拔⒔Y(jié)構(gòu)”這個(gè)術(shù)語是指宏觀結(jié)構(gòu)中用顯微鏡放大才可見的部分?，F(xiàn)代的電子顯微鏡能夠放，大約105倍，因此，使用透射和掃描電子顯微鏡技術(shù)可以觀測(cè)材料中小至微米的微結(jié)構(gòu)。52.2重要性在材料領(lǐng)域，材料的性能可以通過使材料微結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)刈兓玫礁倪M(jìn)。雖然混凝土是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料，但它的微結(jié)構(gòu)是不均質(zhì)且高度復(fù)雜的。人們對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認(rèn)識(shí)還不是很充分，所以在討論起影響混凝土的重要工程性質(zhì)，如強(qiáng)度、彈性、收縮、徐變、開裂以及耐久性之前，了解微結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成是很有幫助的。62.3 復(fù)雜性從圖2

3、-1來看，兩個(gè)可以明顯區(qū)分開來的相是具有不同尺寸和形狀的骨料顆粒，以及不連續(xù)的起膠結(jié)性介質(zhì)的水化水泥漿體。圖2-1混凝土試件拋光后的斷面從微觀水平上看，混凝土微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性顯而易見。其微結(jié)構(gòu)中的兩相既不是彼此均勻分布的，微結(jié)構(gòu)本身也不是勻質(zhì)的。例如，硬化水泥漿體中某些部位看上去像骨料一樣密實(shí)，而另一些則是多孔的（圖2-2）。圖2-2 水化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)8此外，如果將幾個(gè)水泥用量相同，但用水量不同的混凝土試件以不同的時(shí)間間隔進(jìn)行檢測(cè)，可以看出，隨著水灰比減小，或隨著齡期增長(zhǎng)，水泥漿體毛細(xì)孔的體積一般呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。存在骨料時(shí)，臨近大顆粒骨料的水泥漿體的微結(jié)構(gòu)通常與體系中水泥漿或砂漿本體存在非常大

4、的差異。事實(shí)上，在應(yīng)力作用下，混凝土許多方面的表現(xiàn)，只有在將水泥漿與骨料的界面作為混凝土微結(jié)構(gòu)的第三相時(shí)才能得到合理的解釋。9因此，混凝土微結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處可以概括如下：首先，粗骨料顆粒附近的小范圍存在界面過渡區(qū)；其次，三相中的每一個(gè)相本身也是多相的；第三，混凝土的微結(jié)構(gòu)不是材料固有的特性，水泥漿和過渡區(qū)，是隨時(shí)間、環(huán)境溫度與濕度而變化的。102.4 骨料相的微結(jié)構(gòu)骨料相主要影響混凝土的單位質(zhì)量、彈性模量和尺寸穩(wěn)定性?；炷恋倪@些性質(zhì)在很大程度上取決于骨料的表觀密度和強(qiáng)度，而骨料的物理特性要比化學(xué)特性對(duì)其更具有決定性。除孔隙率外，粗骨料的形狀和構(gòu)造也會(huì)影響混凝土的性能。圖2-3為一些骨料顆粒。1

5、1圖2-3 粗骨料顆粒的形狀和表面構(gòu)造（a） 礫石，圓而光滑；（b） 碎石，各向等徑；（c）碎石，條形；（d）碎石，片狀；（e）輕骨料，多棱且粗糙；（f）輕骨料，圓而光滑12由于比混凝土其他兩相的強(qiáng)度高，骨料通常不直接影響混凝土的強(qiáng)度，除非是多孔軟弱顆粒，例如浮石。然而，粗骨料的粒徑和形狀間接地影響混凝土的強(qiáng)度。如圖2-4所示，混凝土骨料的粒徑越大，針片狀顆粒所占的比例越大，骨料表面聚集水膜的趨勢(shì)就越強(qiáng)，因此削弱了界面過渡區(qū)，這種現(xiàn)象稱之為泌水。13 圖2-4 （a）新拌混凝土泌水示意圖； （b）混凝土試件在單軸壓應(yīng)力下的剪切黏結(jié)破壞可見泌水內(nèi)部泌水142.5 水化水泥晶體的微結(jié)構(gòu)水化水泥漿體

6、在這里的含義是指由硅酸鹽水泥制備的漿體。硅酸鹽水泥石一種灰色粉末，呈多棱角顆粒，粒徑為150m。它通過粉磨熟料和少量硫酸鈣得到。熟料的基本組成大約對(duì)應(yīng)硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF），在普通的硅酸鹽水泥里，它們的含量分別在45%60%、15%30%、6%12%和6%8%。15硅酸鹽水泥加水后的水化產(chǎn)物：(1)硅酸三鈣 硅酸三鈣與水作用時(shí)，反應(yīng)較快，水化放熱量大，生成水化硅酸鈣(C-S-H)及氫氧化鈣(CH)，水化過程如下：2C3S+11H C3S2H8+3CH硅酸三鈣 水 C-S-H 氫氧化鈣(2)硅酸二鈣 硅酸二鈣與水作用時(shí)，反應(yīng)較慢，水化放

7、熱小，生成水化硅酸鈣，也有氫氧化鈣析出，水化過程如下：2C2S+9H C3S2H8+CH硅酸二鈣 水 C-S-H 氫氧化鈣16 (3)鋁酸三鈣 u 無石膏環(huán)境 C3A與水水化生成不同結(jié)晶水的水化鋁酸鈣(C4AH19、C4AH13、C3AH6、C2AH8等。 C3A+21HC4AH13+C2AH8這種水化物是不穩(wěn)定的，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镃3AH6 (水石榴石)：C4AH13+C2AH8 2C3AH6+9Hu石膏環(huán)境 在有石膏的情況下，C3A與水快速反應(yīng)最初形成三硫型水化硫鋁酸鈣( )，簡(jiǎn)稱鈣礬石；若石膏在C3A完全水化前耗盡，則鈣礬石與C3A作用轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣( )。3632C AS H412

8、C ASH17(4)鐵鋁酸四鈣 它的水化速率比C3A略慢，水化熱較低，即使單獨(dú)水化也不會(huì)引起快凝。其水化反應(yīng)及其產(chǎn)物與C3A很相似，其代表性反應(yīng)式如下：34126323346324123C AF3CSH21HC (A,F)S H(F,A)HC AFC (A,F)S H3C (A,F)SH(F,A)H 18圖2-5為用鋁酸鈣溶液與硫酸鈣溶液制備的混合物在掃描電子顯微鏡下的典型形貌；圖2-6為模擬充分水化的硅酸鹽水泥漿體微結(jié)構(gòu)的各主要相。19圖2-5 將鋁酸鈣溶液與硫酸鈣溶液混合形成典型的單硫型硫鋁酸鹽水化物六方晶體和鈣礬石針狀晶體的掃描電鏡照片單硫型硫鋁酸鹽水化物鈣礬石20圖2-6 水化良好的硅

9、酸鹽水泥漿體模型 A：結(jié)晶很差的C-S-H顆粒聚集體。 H：六方晶體產(chǎn)物，如CH、C4AH19和 。 C：開始時(shí)由水分占據(jù)的空間沒有完全被水泥水化產(chǎn)物填充時(shí)形成的毛細(xì)孔。412C ASH21從圖2-6的水化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)中，可以觀察到它的各個(gè)相既不是均勻分布，其尺寸和形貌也不一致。在固相里，微結(jié)構(gòu)的非勻質(zhì)會(huì)對(duì)強(qiáng)度和其他祥光的力學(xué)性能造成嚴(yán)重的影響，因?yàn)檫@些性能是由微結(jié)構(gòu)的最薄弱部分，而不是由微結(jié)構(gòu)的平均水平所決定的。因此，除了微結(jié)構(gòu)因水泥與水接觸發(fā)生化學(xué)變化的結(jié)果外，還需要注意新拌水泥漿體的流變性能，這也對(duì)硬化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)造成影響。222.5.1 水化水泥漿體中的固相水化水泥漿體中四種主

10、要固相的類型、數(shù)量和特征，可以用電子顯微鏡確定如下。水化硅酸鈣 硅酸鈣水化物相縮寫為C-S-H。在完全水化的水泥漿體里，C-S-H可占50%60%的體積，因此是決定漿體性能的主要相。C-S-H的形貌為從結(jié)晶差的纖維狀到網(wǎng)狀。由于它們呈現(xiàn)出膠體的尺度與聚集成叢的傾向，C-S-H結(jié)晶只能用電子顯微鏡來分辨。23雖然C-S-H準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)還是未知的，但研究人員已經(jīng)提出了幾種模型來解釋它的性質(zhì)。根據(jù)鮑爾斯布魯納爾（Powers-Brunaure）模型，它是一種層狀結(jié)構(gòu)，有著巨大的比表面積。采用不同技術(shù)檢測(cè)得到的結(jié)果是：C-S-H表面積約在100700/g，其強(qiáng)度主要?dú)w因?yàn)榉兜氯A力。據(jù)報(bào)道，其凝膠孔的尺度

11、，或固固距離在1.8nm左右；在費(fèi)德曼賽雷達(dá)（Feldman-Sereda）模型里顯示C-S-H的結(jié)構(gòu)呈無規(guī)則的，或扭絞的層狀排列，它們隨機(jī)地分布，形成不同形狀與尺寸（0.52.5nm）的層狀空間。24氫氧化鈣 氫氧化鈣結(jié)晶（也成波特蘭石）占是你漿體固相體積的20%25%。與C-S-H相反，氫氧化鈣是具有確定比例的化合物Ca(OH)2。它形成六角棱狀的大晶體，形貌各式各樣，通常從難以區(qū)分到大片堆疊，受可用空間、水化溫度以及體系中存在的不純物影響。與C-S-H相比，氫氧化鈣的比表面積很小，它對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有限。25硫鋁酸鈣水化物 硫鋁酸鈣水化物在水化晶體里占固相體積的15%20%，因此在微結(jié)構(gòu)與性

12、能關(guān)系中只起到很小的作用。水化早起，硫/鋁離子比有利于形成三硫型的水化物 ，也稱“鈣礬石”，呈針狀棱柱形晶體。在普通的硅酸鹽水泥漿體里，“鈣礬石”最終轉(zhuǎn)變成單硫型水化物 ，呈六角形片狀晶體。單硫型水化物的存在使混凝土易受硫酸鹽的侵蝕。3632C AS H4318C AS H26未水化的水泥顆粒 取決于未水化水泥顆粒分布和水化程度，在水化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)中，可以找到一些未水化的熟料顆粒。如前所述，現(xiàn)在的硅酸鹽水泥粒徑一般為150m，隨著水化過程的進(jìn)展，較小的顆粒首先溶解并從體系中小時(shí)，然后較大的顆粒逐漸變小。由于顆粒之間的間隙有限，水化產(chǎn)物都靠近正在水化的熟料顆粒結(jié)晶，看上去就像是圍繞它形成包覆

13、層。在后期，由于缺乏有效空間，熟料顆粒原位水化就形成非常密實(shí)的水化產(chǎn)物，其形貌與熟料顆粒原貌相像。272.5.2 水化水泥漿體里的孔除了固相外，水化水泥漿體里還有幾種各類型的孔，對(duì)其性能有重要影響。水泥漿體中的固相和孔的典型尺寸見下圖2-7（a）。我們將人的身高直到火星的直徑分布列在圖2-7（b）。28圖2-7 （a）水化水泥漿體中，固體和孔隙的尺寸范圍；C-S-H夾層中的顆粒間的空隙毛細(xì)孔水泥漿體中Ca(OH)2和低硫的硫酸鹽六方晶體C-S-H顆粒聚集體引入的氣泡為提高耐洗滌性所引入氣泡的最大間距帶入的氣泡29圖2-7 （b） 圖中尺寸范圍包括7個(gè)數(shù)量級(jí)，用人的身高作為起點(diǎn)，火星的直徑作為終

14、點(diǎn)。人鯨埃菲爾鐵塔金門大橋的跨距珠穆朗瑪峰大月坑弗洛伊德颶風(fēng)火星直徑30C-S-H中的層間孔 鮑爾斯層假設(shè)C-S-H結(jié)構(gòu)里的層間孔寬度為1.8nm并確定固相C-S-H的孔隙率為28%；然而，費(fèi)德曼和賽雷達(dá)認(rèn)為層間孔寬度應(yīng)在0.52.5nm。這樣的孔徑足夠小，不會(huì)對(duì)水化水泥漿體的強(qiáng)度和滲透性產(chǎn)生不利影響。然而，這些微孔中的水分由氫鍵維持，在一定條件下會(huì)失去這些水分從而產(chǎn)生干縮和徐變。31毛細(xì)孔 毛細(xì)孔代表沒有被水化水泥漿體的固相產(chǎn)物所填充的空間。1cm3的水泥完全水化大概需要2cm3的空間來容納。因此，水泥的水化可以看作是一個(gè)原來被水泥和水占據(jù)的空間，越來越多地被水化產(chǎn)物所填充的過程。沒有被水泥

15、或者水化產(chǎn)物所占據(jù)的空間就成為毛細(xì)孔，毛細(xì)孔的體積和尺寸由新拌水泥漿中未水化水泥顆粒的間距（即水灰比），以及水泥水化的程度所決定。32在下面要介紹一種計(jì)算不同水灰比或不同水化度條件下，硅酸鹽水泥漿體毛細(xì)孔總體積（俗稱孔隙率）的方法。在充分水化的低水灰比漿體中，毛細(xì)孔在1050nm的范圍內(nèi)；在高水灰比漿體中，水化早起的毛細(xì)孔可大到35m；在用壓汞儀測(cè)試幾個(gè)水化水泥漿試件的典型孔徑的分布點(diǎn)示于圖2-8。33圖2-8 (a) 水化水泥漿體中孔徑的分布,同一齡期，不同水灰比擴(kuò)散體積/(mL/g) 孔徑/0.1nm34圖2-8 （b)水化水泥漿體中孔徑的分布，同一水灰比，不同齡期擴(kuò)散體積/(mL/g)

16、孔徑/0.1nm35氣孔 毛細(xì)孔的形狀是無規(guī)則的，氣孔則一般呈球形。混凝土拌合過程中水泥漿體里通常會(huì)帶入少量空氣。可以有目的地在混凝土里摻入外加劑來引入微小的氣泡。帶入的氣泡可能達(dá)到3mm，同時(shí)引入的氣泡在50200m。因此，無論是帶入的氣泡還是引入的氣泡，都遠(yuǎn)大于水化水泥漿體里的毛細(xì)孔，這都會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。362.5.3 水化水泥漿體中的水分實(shí)際上，依據(jù)環(huán)境濕度和漿體的孔隙率的情況，未經(jīng)處理的漿體可能保持大量水分。如前面討論過的固相和氣相，水分也可以以多種形式存在與混凝土中。根據(jù)水分從水化水泥漿體中遷移的難易程度，可以講其分為幾種類型。37毛細(xì)孔水 存在于5nm以上孔隙里的水被稱為毛細(xì)

17、孔水。它不受固體表面存在的吸引力的作用。事實(shí)上，水化水泥漿體里的毛細(xì)孔水可以分為兩類：在毛細(xì)孔大于50nm中的水成為自由水（因?yàn)樗倪w移不會(huì)引起任何體積變化）；較小的毛細(xì)孔（550nm）里的水手毛細(xì)張力作用，失水時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)收縮。38吸附水 這是一種靠近固相表面的水。在引力作用下，漿體中的水分子物理吸附到固相表面，被氫鍵物理吸附可達(dá)6個(gè)水分子層（1.5nm）。由于水分子的鍵能隨其與固相表面的距離減小，當(dāng)水泥漿體干燥至30%的相對(duì)濕度時(shí)，會(huì)失去大部分吸附水。失去吸附水會(huì)使水化水泥漿體收縮。39層間水 這是一種與C-S-H結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的水。在C-S-H的層與層之間，一個(gè)單分子水層牢固地被氫鍵所鍵合。

18、層間水只有在強(qiáng)烈的干燥作用下（即相對(duì)濕度低于11%）才會(huì)失去，失去層間水時(shí)C-S-H結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的收縮。40化學(xué)結(jié)合水 這種水是構(gòu)成各種水泥水化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)的一部分。干燥時(shí)這種水不會(huì)失去，只有受熱使水化物分解時(shí)才會(huì)失去。根據(jù)費(fèi)德曼賽雷達(dá)模型，與C-S-H相關(guān)聯(lián)的各種不同類型的水如圖2-9所示。41圖2-9 與硅酸鈣水化物相關(guān)的各種類型水分的圖解模型層間水毛細(xì)管水物理吸附水422.5.4 水化水泥漿體中的微結(jié)構(gòu)性能關(guān)系硬化混凝土的工程特性強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性與耐久性不僅受配合比影響，還受水化水泥漿體的性質(zhì)影響，而它又取決于微結(jié)構(gòu)的特征（即固相和孔的類型、數(shù)量及分布）。水化水泥漿體的微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系討

19、論如下所述。43強(qiáng)度 水化水泥漿體固相產(chǎn)物的強(qiáng)度，主要來源于范德華引力的存在。兩固相表面間的粘附力來自這種物理作用。粘附作用的程度決定于所涉及表面的范圍和本質(zhì)。細(xì)小的C-S-H、硫鋁酸鈣水化物、六角形的鋁酸鈣水化物漿體擁有巨大的表面積和粘附力，硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物不僅彼此牢固地粘結(jié)在一起，而且還可以與表面積較小的固相，例如氫氧化鈣、未水化熟料顆粒以及粗、細(xì)骨料顆粒黏結(jié)牢固。44眾所周知，固相的孔隙率和強(qiáng)度之間存在反比關(guān)系。材料的強(qiáng)度由其固相所決定，因此孔隙會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生危害。假定1cm3水泥產(chǎn)生2cm3水化產(chǎn)物，鮑爾斯做過一項(xiàng)簡(jiǎn)單的計(jì)算，以證明毛細(xì)孔隙率隨不同水灰比水泥漿體的水化程度而有所差異。

20、根據(jù)他的工作，圖2-10展示了兩種情況，即水化程度提高（情況A）條件下，或水灰比降低（情況B）條件下，毛細(xì)孔隙率逐漸減小的過程。45圖2-10 (a)毛細(xì)孔隙率隨水灰比和水化程度的變化情況A 100cm3水泥，水灰比W/C=0.63，不同的水化程度，如圖所示漿體的總體積/cm3 毛細(xì)管孔隙水化產(chǎn)物未水化水泥水化天數(shù)水化程度46圖2-10 (b)毛細(xì)孔隙率隨水灰比和水化程度的變化情況B 100 cm3水泥，100%水化，不同的水灰比，如圖所示漿體的總體積/cm3 47在情況A中，若水灰比為0.63的漿體中含有100cm3水泥，就需要200 cm3的水，漿體總體積為300 cm3。水泥的水化程度取

21、決于養(yǎng)護(hù)條件（水化持續(xù)時(shí)間、溫度與濕度）。假設(shè)在ASTM標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（231）濕養(yǎng)護(hù)），7d、28d和365d水化水泥的體積分別為計(jì)算固相體積（未水化水泥加上水化產(chǎn)物）150 cm3、175 cm3、和200 cm3的50%、75%和100%。毛細(xì)孔體積可以從獲得的總體積和固相總體積之差求得，在水化7d、28d和365d，該體積分別為50%、42%和33%。48在情況B中，水灰比對(duì)應(yīng)為0.7、0.6、0.5和0.4制備的四種水泥漿體，假定水化程度為100%。水泥體積一定時(shí)，用水量最大的漿體可獲得的空間總體積最大，但是在水化完成后，所有這4中漿體都將產(chǎn)生等量的固相水化產(chǎn)物。但是在水灰比分別為0

22、.7、0.6、0.5和0.4的漿體總空間則分別為320 cm3、288 cm3、257 cm3和225 cm3，經(jīng)計(jì)算得到的毛細(xì)孔隙率分別為37%、30%、22%和11%，在本節(jié)所設(shè)定的條件下，水灰比為0.32的漿體，當(dāng)水泥全部水化時(shí)將不會(huì)有毛細(xì)孔存在。49對(duì)于正常水化的硅酸鹽水泥漿體，鮑爾斯認(rèn)為抗壓強(qiáng)度fc和固空比（x）之間存在指數(shù)關(guān)系fc=(x)3，當(dāng)=234MPa，假設(shè)水化程度一定，例如25%、50%、75%和100%，可以用鮑爾斯公式計(jì)算出水灰比增大對(duì)孔隙率和強(qiáng)度的影響。結(jié)果見圖2-11（a）。50圖2-11 （a)水灰比和水化程度對(duì)強(qiáng)度和滲透性的影響抗壓強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度滲透性固/空比

23、（1-P）滲透系數(shù)（cm/s10-12）51圖2-11 （b)水灰比和水化程度對(duì)強(qiáng)度和滲透性的影響 水灰比水化毛細(xì)管孔隙，體積分?jǐn)?shù)P52尺寸穩(wěn)定性 飽水的水化水泥漿體在尺寸上是不穩(wěn)定的，當(dāng)然只要保持相對(duì)濕度在100%，實(shí)際上沒有發(fā)生尺寸變化。但是，當(dāng)漿體暴露在相對(duì)濕度低于100%環(huán)境時(shí)，材料將開始失水并收縮。LHermite描述過飽水的水化水泥漿體失水，一方面與相對(duì)濕度有關(guān)（圖2-12），另一方面與干縮有關(guān)。53圖2-12（a）失水是相對(duì)濕度的函數(shù)；（b）水泥砂漿的收縮是失水的函數(shù) 失水相對(duì)濕度失水 收縮結(jié)合水吸附水自由水 束縛水舊水泥漿新水泥漿54一旦相對(duì)濕度大于100%，大毛細(xì)孔（例如大于

24、50nm）內(nèi)的自由水就開始逸出到周圍環(huán)境，由于自由水并不以任何一種物理化學(xué)鍵附著于水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)上，因此失去自由水時(shí)不會(huì)伴隨產(chǎn)生收縮，如圖2-12中曲線“AB”所示。所以將飽水的水化水泥漿體放置于稍低于100%相對(duì)濕度的環(huán)境中，在產(chǎn)生任何收縮前可能去失去大量可蒸發(fā)水。55當(dāng)已失去大部分自由水之后，繼續(xù)干燥進(jìn)一步失水會(huì)導(dǎo)致明顯的收縮，這種現(xiàn)象見圖2-12中曲線“BC”，主要原因在于吸附水和細(xì)小毛細(xì)孔里的水已經(jīng)失去（圖2-9）。它表明，在兩個(gè)固相表面之間的狹小空間里，吸附水會(huì)引起拆開壓。吸附水失去會(huì)使拆開壓減小，引起系統(tǒng)收縮。C-S-H層狀結(jié)構(gòu)中以單分子水膜存在的層間水，在干燥條件嚴(yán)酷時(shí)也會(huì)失去

25、。56耐久性 水化了的水泥漿體是堿性的，因此暴露于酸性水中時(shí)對(duì)材料是有害的。在這類條件下，不透水性（或稱水密性）就成為決定耐久性的首要因素。水化水泥漿體的抗?jié)B性是非常具有價(jià)值的特性，因?yàn)榧俣ㄋ酀{體不透水，混凝土也就是不透水的（混凝土的骨料一般假設(shè)為不透水的）。將滲透性定義為：流體在壓力下可以順暢地流經(jīng)固體的能力。顯然，固體微結(jié)構(gòu)中孔徑大小于連續(xù)性決定它的滲透性。鮑爾斯的滲透性試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果繪制的圖2-11中的滲透性曲線可以說明這一點(diǎn)。57 圖2-13 不同水灰比水泥漿體中小孔的分布曲線28d，水灰比0.6、0.7、0.8和0.9的試件中小于132nm的孔隙的孔徑分布孔徑/10nm擴(kuò)散體積/

26、(mL/g)58關(guān)于圖2-11所示的滲透性與孔隙率之間的指數(shù)關(guān)系，可以從不同類型的孔對(duì)滲透性的影響得到理解。當(dāng)水化進(jìn)行時(shí)，原有不連續(xù)的水泥顆粒之間的空隙逐漸被水化產(chǎn)物所填充。圖2-10顯示出，總毛細(xì)孔隙率由水灰比（即原來水泥顆粒之間的毛細(xì)空間）和水化程度所決定。它隨著水灰比的減小和水化程度的提高而減小。用壓汞儀對(duì)水泥漿體的研究（圖2-8），要根據(jù)不同的水灰比水化到不同齡期的結(jié)果表明，水化水泥漿體總孔隙率的降低是和大孔的減少有關(guān)（圖2-13）。59從圖2-11所示的數(shù)據(jù)可明顯看出：當(dāng)毛細(xì)孔的體積分?jǐn)?shù)從0.4下降到0.3時(shí)，滲透系數(shù)呈指數(shù)降低。因此，看來在這個(gè)范圍的毛細(xì)孔隙率，是當(dāng)水化水泥漿體中毛

27、細(xì)孔的體積和尺寸兩者都減小到這樣的程度，即彼此之間已不再相互連通。這使得充分水化了的水泥漿體滲透性比初齡的漿體降低了大約106倍。鮑爾斯認(rèn)為：完全水化的水泥漿體，即使水灰比為0.6，也可以像巖石般密實(shí)而不透水。602.6 混凝土中過渡區(qū)2.6.1 過渡區(qū)的重要性2.6.2 過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)2.6.3 過渡區(qū)強(qiáng)度2.6.4 過渡區(qū)對(duì)混凝土性能的影響612.6.1 過渡區(qū)的重要性對(duì)于以下情況，你是否曾經(jīng)思考過為什么：混凝土受拉時(shí)是脆性的，而在受壓時(shí)相對(duì)堅(jiān)韌？混凝土的各組分分別進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)時(shí)呈彈性直至破壞，而混凝土本身卻呈現(xiàn)非彈性行為？一種混凝土的抗壓強(qiáng)度要比其抗拉強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)？給定水泥用量、水

28、灰比和水化兩期的砂漿要比相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度高？此外，隨著粗骨料的粒徑增大，混凝土強(qiáng)度下降？即使使用非常密實(shí)的骨料，混凝土的滲透性仍然要比相應(yīng)的水泥漿體大一個(gè)數(shù)量級(jí)？在火災(zāi)中，混凝土的彈性模量要比其抗壓強(qiáng)度的下降更迅速？62上述以及其他許多謎一般有關(guān)混凝土表現(xiàn)問題的答案，主要是因?yàn)榇止橇项w粒和水化水泥漿體之間存在著過渡區(qū)。雖然它的組成和水化水泥漿體相同，但其微結(jié)構(gòu)與性能不同于水泥漿體本體，因此將它作為一個(gè)單獨(dú)的相來處理。632.6.2 過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)由于存在試驗(yàn)上的難度，有關(guān)混凝土過渡區(qū)的信息很少。但是，根據(jù)Maso的描述，自混凝土澆筑時(shí)期，過渡區(qū)的發(fā)展順序?yàn)槿缦滤?。首先，新壓?shí)的混凝土中，大顆粒

29、骨料周圍形成水膜；隨后，水泥漿本體中，由硫酸鈣和鋁酸鈣分解產(chǎn)生的鈣、硫酸根、氫氧根以及鋁酸根離子，結(jié)合生成鈣礬石和氫氧化鈣。最后，隨著水化的進(jìn)展，結(jié)晶不良的C-S-H和次生的鈣礬石、氫氧化鈣晶體開始填充在大鈣礬石和氫氧化鈣晶體構(gòu)架之間的孔隙里。64圖2-14（a）界面過渡區(qū)中氫氧化鈣晶體的掃描電鏡照片；65圖2-14（b）混凝土中界面過渡區(qū)和水泥漿基體的示意圖骨料界面過渡區(qū)水泥漿基體鉛研石66在早期，特別是發(fā)生大量?jī)?nèi)泌水時(shí)，界面過渡區(qū)中孔的體積和尺寸比水泥砂漿或砂漿本體大。結(jié)晶化合物如氫氧化鈣和鈣礬石其尺寸和數(shù)量在界面過渡區(qū)中也較大。裂縫易于在垂直C軸的方向形成。這些作用導(dǎo)致混凝土中過渡區(qū)的強(qiáng)

30、度低于水泥漿本體。672.6.3 過渡區(qū)強(qiáng)度水化產(chǎn)物和骨料顆粒之間的黏結(jié)力也是范德華力，過渡區(qū)中任意一點(diǎn)的強(qiáng)度取決于孔的體積和尺寸。即使是低水灰比混凝土，在早齡期，過渡區(qū)孔的體積和尺寸也要大于砂漿本體中的體積和尺寸。因此，過渡區(qū)的強(qiáng)度就較差。然而，隨著齡期的增長(zhǎng)，過渡區(qū)的強(qiáng)度可以等于甚至高于砂漿本體的強(qiáng)度。68除毛細(xì)孔體積大和氫氧化鈣結(jié)晶的取向結(jié)構(gòu)外，混凝土過渡區(qū)強(qiáng)度差的主要原因是存在微裂縫。微裂縫的數(shù)量取決于很多參數(shù)，包括骨料尺寸和級(jí)配、水泥用量、水灰比、新拌混凝土搗實(shí)程度、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境濕度以及混凝土的溫度發(fā)展歷程。69在相同條件下，骨料粒徑越大，水膜越厚。這種條件下形成的過渡區(qū)因骨料和水泥漿體位移出現(xiàn)差異時(shí)，受拉應(yīng)力作用時(shí)就易于開裂。這種位移差異通常發(fā)生在混凝土受冷或受干燥作用時(shí)。換句話說，混凝土在受到荷載作用之前，過渡區(qū)就已經(jīng)存在微裂縫。顯然，短暫的沖擊和在、干