混凝土結構形成與基本性能

混凝土結構形成與基本性能第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日要求掌握：1.硅酸鹽水泥礦物的水化過程；2.水泥石的相組成和物理結構；3.界面過渡區(qū)及其對混凝土性能的影響；4.混凝土拌合物性能、表征方法及其影響因素；5.硬化混凝土性能、表征方法及其影響因素。第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

通過學習，認識到材料的宏觀性能和工程行為是由材料內部的組成和結構所決定的，而混凝土的組成和結構將隨時間和外部環(huán)境條件下的變化而發(fā)生改變。本章是聯(lián)系原材料、配合比設計、混凝土成型與養(yǎng)護工藝等相關環(huán)節(jié)的紐帶?；炷猎牧系男阅芎团浜媳仍O計是決定混凝土內部結構和各項性能形成與發(fā)展的內在因素。成型和養(yǎng)護工藝是決定混凝土結構的形成與發(fā)展的外在因素。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日一、混凝土內部結構的形成原理

混凝土是將膠凝材料、水、粗細集料及各類化學外加劑按一定比例，經均勻拌和、密實成型及養(yǎng)護硬化后制成的的一種人造石材。

因此，混凝土內部結構的含義不僅包括水泥石的結構、即水化產物的類型、結晶狀態(tài)、大小及聚集形式等，還包括固相組分的堆積狀態(tài)、孔結構及水泥石-集料的界面等?；炷羶炔拷Y構特征、狀態(tài)直接影響到混凝土材料的性能，同時它又受原材料及加工工藝過程的影響。因此研究其內部結構形成原理及特征對于我們改善混凝土性能、完善和改進工藝具有十分重要的意義。第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1、混凝土內部結構概述（1）混凝土內部結構原理

如前所述，混凝土是一種多相體系，內部結構十分復雜，其結構的形成過程也非常復雜，對這一體系的研究也是十分困難的。至今為止，對混凝土結構形成的原理，理論上也不十分成熟，目前較為認可的有兩種說法：表面膠結原理多級分散原理第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（1）混凝土內部結構原理1）表面膠結原理可以從兩種方式理解混凝土物理結構原理混凝土是由粗集料、細集料和水泥石組成的密實的體系，粗、細集料構成骨架，水泥石分布在集料顆粒表面，將它們膠結為一個具有強度的整體。

混凝土集料骨架粗集料細集料膠結料水泥石第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2）多級分散原理

混凝土的物理結構也可以理解為，粗集料為分散相分散在砂漿中而形成的一種粗分散系，同樣砂漿是以細集料為分散相而分散在水泥石中的一種細分散系，水泥石是以水化硅酸鈣為連續(xù)相，其他水化產物晶體、未水化水泥顆粒、水泥中的惰性組分為分散相而形成的微分散系?；炷练稚⑾啵捍旨线B續(xù)相：砂漿（細分散系）連續(xù)相：水泥石（微分散系）分散相：細集料分散相：晶體、顆粒等連續(xù)相：CSH凝膠第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（2）混凝土內部結構類型按照表面膠結原理，可以將混凝土內部結構分為三類：①懸浮—密實結構

按粒子干涉理論，為避免次級顆粒對前級顆粒密排的干涉，前級顆粒之間必須流出比次級顆粒粒徑稍大的空隙供次級顆粒排布。按此組合的混凝土，經過多級密垛雖然可以獲得很大的密實度，但是各級集料均被次級集料所隔開，不能直接靠擾而形成骨架。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日A、優(yōu)點：新拌混凝土具有較小的內摩擦力，易于泵送。B、缺點：彈性模量、抗折強度、收縮、徐變等性能不佳。第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日②骨架—空隙結構

當混凝土中粗集料所占的比例較高，細集料很少時，粗集料可以相互靠攏形成骨架；但由于細顆粒數量較少，不足以填滿粗集料之間的空隙，因此形成骨架—空隙結構。這種結構適宜于制作透水混凝土。其他混凝土應避免這種結構，因其抗水、抗?jié)B透能力差。第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日③密實—骨架結構

當集料中斷去中間尺寸的顆粒，既有較多數量粗集料可形成空間骨架，同時又有相當數量細集料可填實骨架的空隙時，形成密實骨架結構。這種結構的新拌混凝土有較高的內摩擦阻力，不易泵送；但彈性模量與抗折強度高，收縮、徐變小。第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日結論：以上分析表明：粗集料的級配和堆積狀態(tài)對混凝土的結構和性能影響很大，而水泥石是將粗細集料膠結成整體的關鍵。因此水泥水化形成水泥石的過程、水泥石的結構及集料與水泥石的界面是混凝土內部結構的決定因素。第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（1）硅酸三鈣①

C3S的水化反應3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca(OH)2即:C3S+nH=C-S-H+（3-x)CH式中x——表示鈣硅比（C/S）

n——表示結合水量2.硅酸鹽水泥的水化第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日A.C-S-H（水化硅酸鈣）特點：凝膠（非晶體），水泥石強度主要提供物質組成不固定：[CaO]：0.112～1.12g/l時，C-S-H（Ⅰ）(0.8～1.5)CaO·SiO2·(0.5～2.5)H2O[CaO]>1.12g/l時，C-S-H（Ⅱ）(1.5～2.0)CaO·SiO2·(1～4)H2O第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日B.CH（氫氧化鈣）特點：較粗大晶體，造成水泥石強度下降；維持水泥石體系較高堿度，穩(wěn)定C-S-H；可作為火山灰質等混合材的堿性激發(fā)劑。第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日②

水化過程A.誘導前期急劇反應，出現第一個放熱峰，時間很短，在15min以內結束。第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日B.誘導期反應極其緩慢，又稱靜止期。一般持續(xù)1～4ｈ，是硅酸鹽水泥漿體能在幾小時內保持塑性的原因。初凝時間基本上相當于誘導期的結束。第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日C.加速期反應重新加快，出現第二個放熱峰，到達峰頂時本階段即告結束(4～8h)。此時終凝已過，開始硬化。第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日⑷減速期：反應速率隨時間下降的階段，約持續(xù)12～24h，水化作用逐漸受擴散速率的控制。

⑸穩(wěn)定期：反應速率很低、基本穩(wěn)定的階段，水化作用完全受擴散速率控制。

第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日(2)硅酸二鈣β型硅酸二鈣的水化過程和C3S極為相似，β-C2S的水化反應可采用下式表示:2CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2即:C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH與硅酸三鈣水化相似，區(qū)別在于：1、水化速率為硅酸三鈣的1/20；2、水化形成的Ca(OH)2、C-S-H結晶困難，單獨水化速度極慢，但是在硅酸鹽水泥水化時受到硅酸三鈣影響而水化加快。第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日(3)鋁酸三鈣在常溫下:2C3A+27H=C4AH19+C2AH8C4AH19在低于85%的相對濕度時，即失去6摩爾的結晶水而成為C4AH13。C4AH19、C4AH13和C2AH8均為六方片狀晶體，在常溫下處于介穩(wěn)狀態(tài)，有向C3AH6等軸晶體轉化的趨勢。

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在液相的氧化鈣濃度達到飽和時，

C3A+CH+12H=C4AH13

在硅酸鹽水泥漿體的堿性液相中最易發(fā)生；處于堿性介質中的C4AH13在室溫下能夠穩(wěn)定存在，其數量迅速增多，就足以阻礙粒子的相對移動，使?jié){體產生瞬時凝結。在水泥粉磨時通常都摻有石膏進行緩凝。第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

在石膏、氧化鈣同時存在的條件下：

C4AH13+3CH2+14H=+CH

所形成的三硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石。由于其中的鋁可被鐵置換而成為含鋁、鐵的三硫酸鹽相，故常以AFt表示。鈣礬石不溶于堿溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保護層，阻礙了水與C3A進一步反應，因此降低了水化速度，避免了急凝。第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

當C3A尚未完全水化而石膏已經耗盡時：

C3A水化所成的C4AH13又能與先前形成的鈣礬石依下式反應，生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）

+2C4AH13=3+2CH+20H第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日C3A的水化產物CaSO4·2H2O/C3A（摩爾比）水化產物3.0AFt1.0～3.0AFt+AFm1.0AFm<1.0單硫型固溶體0水石榴石C3AH6第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日四、鐵相固溶體鐵鋁酸鈣的水化反應及其產物與C3A極為相似。氧化鐵基本上起著與氧化鋁相同的作用，也就是在水化產物中鐵置換部分鋁，形成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣的固溶體，或者水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣的固溶體。第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日一、水化過程第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

第三個峰：水泥中硫酸鹽含量一般不足以將全部C3A轉化為AFt相，因而剩余的C3A與AFt相將轉化為AFm即單硫酸鹽相。

第一個峰：AFt相的形成第二個峰：相當于C3S的水化第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日二、影響水泥水化的因素1.水泥礦物組成和晶體結構2.水泥細度和水灰比水泥粉磨得越細，比表面積就越大，與水接觸的面積也越大，在其他條件相同的情況下，水化反應就會越快；水灰比在一定范圍內變化時，適當增大水灰比，可以增大水化反應的接觸面積，使水化速度加快。3.溫度4.外加劑促凝劑、早強劑、緩凝劑等第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日一、漿體結構的形成和發(fā)展第一階段：大約從水泥加水起到初凝為止。

C3S和水迅速反應生成Ca(OH)2過飽和溶液，并析出Ca(OH)2晶體。同時石膏也很快進入溶液與C3A和C4AF反應，生成細小的鈣礬石晶體。在這一階段，由于生成的產物層阻礙了反應進一步進行，同時，水化產物尺寸細小，數量又少，不足以在顆粒間架橋連接形成網絡狀結構，水泥漿體仍呈塑性狀態(tài)。

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第二階段：大約從初凝到加水24h為止。水泥水化開始加速，生成較多的Ca(OH)2和鈣礬石晶體，同時水泥顆粒上升開始長出纖維狀的C-S-H。由于鈣礬石晶體的長大和C-S-H的大量形成、增長而相互交錯連接成網狀結構，水泥開始凝結，隨網狀結構不斷加強，強度也相應增長，將剩留在顆粒之間空隙中的游離水逐漸分割成各種尺寸的水滴，填充在相應大小的孔隙之中。

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第三階段：加水24h以后，直到水化結束這一階段，石膏已基本耗盡，鈣礬石開始轉化為單硫型水化硫鋁酸鈣，還可能會形成C4(A·F)H13。隨著水化的進行，各種水化產物的數量不斷增加，晶體不斷長大，使硬化的水泥漿體結構更加致密，強度逐漸提高。

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二、硬化水泥漿體的結構硬化的水泥漿體是一個非均質的多相體系，是由各種水化產物和殘存熟料所構成的固相、孔隙、存在于孔隙中的水及空氣所組成。即硬化水泥漿體是固、液、氣三相共存的多孔體。第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1.水化產物的基本特征各種水化產物的相對含量為：C-S-H凝膠約70%，Ca(OH)2約20%，鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣約7%，未完全水化的殘留熟料和其他微量組分約3%。第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2.孔結構

⑴

C-S-H中的層間空間（又稱凝膠孔）

C-S-H中的層間空間的寬度為1.8nm，在固體C-S-H中孔隙率占28％。該尺寸太小不會對水化水泥漿體的強度和滲透性起不良影響。但水在這些小孔隙中為氫鍵所固定，在某些條件下會移去，可以造成干縮和徐變。第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

⑵毛細孔毛細孔代表未被水化水泥漿固體組分所填充的空間。水化良好的低水灰比漿體中，毛細孔在10～50nm范圍內；在高水灰比漿體中，水化早期毛細孔可大至3～5um。大于50nm的毛細孔已被假定為是危害強度和抗?jié)B性的，而小于50nm的孔則對干縮和徐變有更大的重要性。第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日⑶氣孔

氣孔一般呈圓形，而毛細孔則呈不規(guī)則形狀。在水化水泥漿體中，陷進的氣孔可大至3mm，對水泥石強度和抗?jié)B性影響非常大；混凝土中常常摻入引氣劑，其目的是在水泥漿體中引入非常細小的氣孔，引入的氣孔大致范圍在50～200um，有利于抗?jié)B性的改善。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日3.水及其存在形式結晶水：是各種水化產物結構的整體部分，在干燥時不會失去。當水化產物受熱分解時化學結合水才會放出。吸附水：細毛細管（5～50nm）中毛細張力所固定的水；固體表面物理吸附水；C-S-H層間為氫鍵所牢固固定的水等。失去吸附水將引起水化水泥漿體的收縮。自由水：在>50nm數量級的大孔中的水，可視為自由水。失去自由水不會造成任何體積改變。

第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

混凝土的特性混凝土從制作到制得成品都要經歷拌合物、凝結硬化及硬化后三個階段，掌握這三個階段混凝土的性質特征，對于選擇施工方法，控制質量將大有益處。第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

二、混凝土的基本性能（一）混凝土拌合物性能

混凝土攪拌后尚未凝結硬化的混合物稱為拌合物，又稱為新拌制的混凝土。新拌制的混凝土應具有—定的彈性、塑性和粘性。這些性質綜合起來通常叫做和易性(稠度)。是混凝土拌合物的一種綜合性的技術性質。第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

二、混凝土的基本性能（一）混凝土拌合物性能1、工作性（1）新拌混凝土的基本要求1）易于拌和與運輸；2）質量均一、穩(wěn)定、易于澆注；3）易于振搗與密實；最好避免振搗、自密實、低燥音或無燥；4）澆注、密實、成型過程中不產生離析、分層；5）成型后的混凝土表面易于修整。第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（2）工作性

工作性也可以定義為：制備充分密實而不產生分層離析的混凝土所需要的機械功（或能量）。

第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日（1）流動性

混凝土拌合物在自重或施工機械振搗的作用下，產生流動并均勻密實地填滿模板各個角落的能力。流動性的大小，反映混凝土拌合物的稀稠程度，又稱之為稠度。它可以影響施工搗實的難易和灌筑的質量。

（2）粘聚性混凝土拌合物所表現的粘聚力。這種粘聚力使混凝土在受作用力后不致出現離析現象。（3）保水性指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力。保持水分的能力一般以稀漿析出的程度來測定。

第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1）用水量與高效減水劑（3）影響工作性的主要因素2）集料配比與集料性質3）水泥與摻合料的特性4）環(huán)境溫度5）工作性的經時損失第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1）用水量與高效減水劑混凝土拌合物的初始狀態(tài)可看作是由膠凝材料、集料等固體顆粒與水組成的一種流體。其中水可以分成三部分：A、吸附在固體顆粒表面的吸附水；B、填充在固體顆粒間的填充水；C、多加的附加水（自由水）。第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日a、附加水對固體顆粒的流動起著分離、潤滑的作用；因此水固比越大，拌合物塑性粘度越小，流動性越大，易于拌和。但過多的自由水（附加水）將導致拌合物分層、離析。b、在水固比一定的條件下，固體顆粒堆積孔隙越少，需要的填充水越少，而附加水也就相應增多，有利用拌合物的流動。c、固體顆粒越細，表面積越大，需要的吸附水越多，自由水就越少，塑性粘度和屈服應力將越大，拌和物流動性降低。第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日d、固體顆粒表面吸附膜的厚度與其物理、化學特性及電性能有關。采用高效減水劑可以改變固體顆粒，特別是膠凝材料顆粒的表面性南，防止顆粒聚集，并減小吸附水膜的厚度，增大拌合物的流動性。第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2）集料配比與集料性質主要包含三個方面：A、集料的總量；B、粗、細集料的比例；C、集料的性質a、水灰比一定的條件下，集灰比增加將降低工作性；b、集料粒徑越小，需要越多的水泥才能保持較好的工作性；c、細集料偏少將使拌合物粗糙、容易分層，澆注和修飾困難；d、細集料偏多（砂率偏大），工作性在一定范圍內會變好，但是經濟性較差，混凝土收縮會增大，硬化混凝土對水、氣、介質滲透能力降低；e、集料的幾何特征對拌合物的工作性影響也較大。第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

球形集料有滾珠效應，表面吸水少，利于工作性。多棱多角集料機械咬合強，不利于工作性。扁平與長條狀集料，表面積-體積比高，需要較多的水和水泥，不利于工作性。光滑的比粗糙的更有利于工作性。多孔、吸水率高的將降低工作性。第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日3）水泥與摻合料的特性A、水灰比不變時，增大水泥用量將明顯有利于工作性的提高，但過高的水泥用量不僅不經濟，還會導致混凝土體積穩(wěn)定性變壞；B、膠凝材料越細，表面積越大，吸附水就越多，水化反應消耗水的速度也越快；不利于工作性。C、水泥中C3A、C3S含量越高，水化反應越快，消耗水的速度越快，也會降低工作性。D、拌合時水泥溫度越高，越不利于工作性。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4）環(huán)境溫度環(huán)境溫度越高，水向環(huán)境蒸發(fā)速度以及水泥水化反應速度越快，不利于工作性。因此高溫季節(jié)施工時需多用水，更多應采措保水措施。第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5）工作性的經時損失

產生經時損失的原因：拌合后由于水的蒸發(fā)、水被吸收和吸附，以及水泥的水化耗水，再加之新的水化產物的形成改變了顆粒的表面結構，所以混凝土拌合后隨著時間的推移，其屈服應力隨時間的發(fā)展而增加。其拌合物的工作性會發(fā)生降低，此降低稱為損失，即經時損失。減小經時損失的主要方法是摻加外加劑。第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日主要有6種工作性的測定方法貫入試驗流動試驗重塑性試驗固實性試驗坍落度試驗攪拌機試驗第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2、離析與泌水

離析指混凝土拌合物成分相互分離，造成內部結構組成和結構不均勻的現象。通常表現為粗集料與砂漿相互分離，例如密度大的顆粒沉積到拌合物的底部，或者粗集料從拌合物整體中分離出來。造成離析的原因可能是澆注、振搗方法不適當，集料最大粒徑過大，粗集料比例粗集料比例過高，膠凝材料和細集料的含量偏低，與細集料相比粗集料的密度過大，或者拌合物過干或過濕等。使用礦物摻合料或引氣劑可降低傾向。第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

泌水指在拌合物澆注、密實之后。在凝結硬化之前，水分從拌合物內部遷移到表面的現象，是離析現象的一種特殊形式。