1、混凝土的結(jié)構(gòu)、組成及特點(diǎn),本節(jié)內(nèi)容,1、混凝土的結(jié)構(gòu) 2、礦物組成 3、混凝土的凝結(jié)硬化 4、特點(diǎn)及應(yīng)用,一.混凝土的結(jié)構(gòu),材料的性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切的依存關(guān)系。 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其性能，適當(dāng)?shù)馗淖兤浣Y(jié)構(gòu)可以改變其性能。這就是結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系 混凝土材料也是如此，在研究混凝土的各種性能時(shí)，必須從混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來認(rèn)識(shí)混凝土內(nèi)在的影響因素和變化規(guī)律。,1 混凝土的宏觀結(jié)構(gòu),拋光混凝土斷面,混凝土的宏觀結(jié)構(gòu),肉眼觀察，基本由兩相組成： （1）形狀和尺寸各異的骨料 （2）相對(duì)連續(xù)的基體相,混凝土是集料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相材料。這一觀點(diǎn)忽略了界面性能和孔結(jié)構(gòu)等因素對(duì)混凝土性能

2、的影響。 這是對(duì)混凝土最傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。,2 混凝土的微觀結(jié)構(gòu),混凝土的微觀結(jié)構(gòu),混凝土的微結(jié)構(gòu)是由三部分（相）組成 （1）骨料相 （2）漿體相 （3）界面過渡區(qū),2.1 骨料相,普通混凝土所用骨料按粒徑大小分為細(xì)骨料和粗骨料。粒徑大于5mm的稱為粗骨料，粒徑小于5mm的稱為細(xì)骨料。,普通混凝土中所用細(xì)骨料，按來源分為天然砂和人工砂。天然砂一般是由天然巖石長(zhǎng)期風(fēng)化等自然條件形成的。根據(jù)產(chǎn)源不同，天然砂可分為河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。河砂和海砂由于長(zhǎng)期受水流的沖刷作用，顆粒表面比較圓滑，且產(chǎn)源較廣，但海砂中常含有貝殼碎片及可溶鹽等有害雜質(zhì)。山砂顆粒多具有棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有機(jī)質(zhì)等有害雜質(zhì)

3、較多。建筑工程中一般多采用河砂作細(xì)骨料。,人工砂為經(jīng)過除土處理的機(jī)制砂和混合砂的統(tǒng)稱。機(jī)制砂是由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于5mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒。機(jī)制砂單純由礦石、卵石或尾礦加工而成。其顆粒尖銳，有棱角，較潔凈，但片狀顆粒及細(xì)粉含量較多，成本較高?；旌仙笆怯蓹C(jī)制砂和天然砂混合制成的。它執(zhí)行人工砂的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法。把機(jī)制砂和天然砂相混合，可充分利用地方資源，降低機(jī)制砂的生產(chǎn)成本。一般在當(dāng)?shù)厝狈μ烊簧霸磿r(shí)，采用人工砂。,普通混凝土通常所用的粗骨料有碎石和卵石兩類。卵石是由天然巖石經(jīng)自然風(fēng)化、水流搬運(yùn)和分選、堆積形成 的粒徑大于5mm的顆粒。按其產(chǎn)源可分為河卵石、海

4、卵石、山卵石等幾種，其中河卵石應(yīng)用較多。碎石大多由天然巖石經(jīng)破碎、篩分制成，也可將大卵石軋碎篩分制得。,2.2 漿體相,硬化水泥漿體又稱水泥石，是固、液、氣三相并存的復(fù)雜體系，是混凝土的基相，對(duì)硬化混凝土的性能起著關(guān)鍵性的作用,硬化水泥漿體的特點(diǎn)：不均勻，含多種固相、孔隙和水。 固相：水化硅酸鈣（C-S-H）; 水化硫鋁酸鈣微晶；氫氧化鈣片狀大結(jié)晶；未水化水泥。 孔隙：層間孔、毛細(xì)孔（微小）；氣孔（大）。 水分：毛細(xì)孔水、層間水、吸附水和化學(xué)結(jié)合水,（1）漿體相固相,C-S-H凝膠 Ca(OH)2晶體 水化產(chǎn)物 鈣礬石(AFt相) 單硫型(Afm相) 固相 水泥顆粒,C-S-H：是一種形態(tài)不明

5、確的無固定組成的化合物，占全部水化物體積的50-70%，對(duì)水泥的凝結(jié)硬化性能和強(qiáng)度起重要作用。 C-S-H凝膠比表面積很大,100-700m2/g。表面能高，粘結(jié)能力強(qiáng)。,水化硅酸鈣形態(tài)主要為結(jié)晶差的纖維狀、針棒狀、網(wǎng)狀和內(nèi)核狀的凝膠膠粒，均在m級(jí)內(nèi)，粒子間主要靠范德華力作用，是水泥石強(qiáng)度的主要來源。,六方片狀的Ca(OH)2晶體,Ca(OH)2 :在普通混凝土中，Ca(OH)2晶體約占全部水化產(chǎn)物的20%，其形態(tài)是六方板狀晶體，晶體呈層狀構(gòu)造，粘結(jié)能力差。 由于Ca(OH)2 晶體的結(jié)構(gòu)和形狀，決定了它對(duì)水泥石的強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。層間較弱的環(huán)節(jié)可能是受力時(shí)裂縫的發(fā)源地。其溶解度較大，易受到酸性物

6、質(zhì)侵蝕影響混凝土的耐久性。,AFt：鈣礬石又稱AFt(C3A3CSH32)，其中Fe可以部分替換Al，硅酸鹽水泥水化幾小時(shí)后形成，水化幾天后，AFt數(shù)量減少。 AFm:單硫型水化硫鋁酸鈣相，水泥水化時(shí)，AFt相消失就會(huì)出現(xiàn)AFm相。,AFt呈短粗桿狀，通常情況下長(zhǎng)度不超過幾微米。 AFm呈六邊形狀，厚度是超微米量級(jí)。,（2）漿體相孔隙,水泥石中的孔可分為三類：凝膠孔、毛細(xì)孔、非毛細(xì)孔。 C-S-H凝膠 C-S-H凝膠內(nèi)的層間孔 毛細(xì)孔,水泥石孔結(jié)構(gòu)包含孔隙率和孔徑分布兩個(gè)概念。 孔隙率：孔體積占水泥石體積的百分?jǐn)?shù) 孔徑分布：不同孔徑尺寸范圍的孔的體積百分?jǐn)?shù)。,凝膠孔是水化水泥顆粒間的過渡空間，

7、尺寸1.53nm，水泥凝膠的最小孔隙率占水泥凝膠體積的28%，即凝膠孔約占凝膠體的1/3。 在SEM分析中，看不到凝膠孔 ，但能看到毛細(xì)管孔。,毛細(xì)孔代表未被硬化水泥漿體占據(jù)的空間。在水化過程中水泥和水占據(jù)的空間不斷被水化產(chǎn)物填充未被占據(jù)的空間形成毛細(xì)孔，毛細(xì)管孔的孔隙在10-50nm，水泥石毛細(xì)孔孔隙率隨水泥石齡期的增長(zhǎng)而下降。,非毛細(xì)孔是指孔徑比毛細(xì)孔孔徑大的孔，通常又稱氣孔。氣孔一般呈球形，孔徑較大，存在于粗集料間。包含引氣劑帶入的微細(xì)氣泡和拌和過程中引入的氣泡，這些氣孔影響著水泥石的強(qiáng)度、密實(shí)度和耐久性。,對(duì)混凝土的強(qiáng)度而言，孔徑D 在20nm(納米)以下為無害孔， 在20-50nm為

8、少害孔， 在50-200nm為有害孔， 大于200nm為多害孔。,Ryshkewitch提出孔隙率和水泥漿體力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： M=M0 exp(-bP) M 孔隙率為P時(shí)，水泥石的強(qiáng)度 M0孔隙率為0時(shí)，水泥石的強(qiáng)度 b為常數(shù)。 這個(gè)公式適應(yīng)于低孔隙率時(shí)。,Schiller提出另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，可用于孔隙率較大的情況： Pcr M=D ln P D是一個(gè)常數(shù)，Pcr表示強(qiáng)度為0時(shí)的孔隙率。,（3）漿體相水,水泥石中的液相是含有可溶性離子的水。 水泥石中的水隨著環(huán)境濕度的變化而變化，根據(jù)水從水泥石中失去的難易程度劃分為四種類型：,1、化學(xué)結(jié)合水： 是水泥石中各種水化產(chǎn)物中的水，低溫干燥時(shí)不

9、會(huì)失去，當(dāng)水化產(chǎn)物受熱分解時(shí)會(huì)放出來。對(duì)水泥石的收縮、徐變產(chǎn)生影響。,2、層間水： 處于C-S-H凝膠層間，由氫鍵牢固地結(jié)合。存在于凝膠孔中，強(qiáng)烈干燥時(shí)才會(huì)失去。對(duì)收縮、徐變影響很大,3、吸附水： 又稱物理吸附水，吸附于水泥石的內(nèi)表面上，可形成多分子層吸附，處于毛細(xì)孔中，當(dāng)相對(duì)濕度小于30%時(shí)，大部分會(huì)失去，對(duì)收縮和徐變均有影響。,4、毛細(xì)管水： 又稱自由水，存在于孔徑大于50納米的毛細(xì)管中，是不受范德華力影響的重力水。 水泥石毛細(xì)管中的水，是水泥繼續(xù)水化的水源和動(dòng)力。 隨著水泥水化程度的提高，水泥石的毛細(xì)孔孔隙率和凝膠孔孔隙率逐步降低。,水的作用,水份在水泥石結(jié)構(gòu)中以不同的形態(tài)存在，會(huì)在不同

10、的溫度、濕度下脫去，或在外力下流動(dòng)，這都是混凝土收縮變形、收縮裂紋的根源和蠕變變形的根源。 而裂紋和收縮是混凝土破壞和體積不穩(wěn)定性的重要原因。,2.3 界面過渡區(qū),界面過渡區(qū)表示的是一個(gè)在粗骨料顆粒附近的小區(qū)域； 界面過渡區(qū)在大骨料周圍以10-50m厚度的薄殼存在，一般要比混凝土的兩個(gè)主要組成相，即骨料與水泥漿本體都薄弱； 界面過渡區(qū)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響要遠(yuǎn)比其尺寸產(chǎn)生的影響大得多。,界面過渡區(qū)的特征,C-S-H凝膠較少，Aft濃度較大 存在大的、定向生長(zhǎng)的 CH 孔隙率較高、結(jié)構(gòu)疏松,過渡區(qū)的強(qiáng)度主要取決于3個(gè)因素： 1、孔的體積和孔徑大小， 2、 Ca(OH)2晶體的大小和取向，（比表面

11、積小 ，相應(yīng)的表面能低，粘結(jié)力差。）,3、存在的微裂縫和孔隙。（由于泌水，在 集料周圍形成較厚的水膜，造成較大的孔隙。） 水化產(chǎn)物和集料間的粘結(jié)力主要是范德華力，所以界面強(qiáng)度較低。如何提高界面的粘結(jié)力，是提高混凝土性能的關(guān)鍵所在。,二、混凝土的礦物組成：,（1）混凝土生產(chǎn)原料：,A、石灰質(zhì)原料,石灰石、白堊等,CaO,B、粘土質(zhì)原料,黏土、黃土等,SiO2、Al2O3、Fe2O3,C、校正原料,鐵礦粉、砂巖等,SiO2、Al2O3、Fe2O3,D、礦化劑,螢石（CaF2）、石膏等,降低水泥熟料的燒成溫度,化學(xué)組成： 主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3

12、(=F) 少量雜質(zhì)：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。 礦物組成： 硅酸鹽水泥熟料主要含有四種礦物：,（2）硅酸鹽水泥熟料的組成：,另外還含有少量的其它礦物質(zhì)：如 fCaO fMgO方鎂石 含堿礦物及玻璃體：其中K2O、Na2O含量較高（國(guó)標(biāo)要求0.6%） 在上述的主要礦物中，C3S、C2S的含量多在70%以上，C3A、C4AF的含量在25%左右。也就是說在熟料中大量存在的是硅酸鹽礦物，正因?yàn)槿绱?，由這種熟料配制而成的水泥我們稱其為硅酸鹽水泥。,（三）混凝土的凝結(jié)硬化過程,水泥漿體轉(zhuǎn)變成堅(jiān)硬固體的過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程水泥的水化凝結(jié)硬化。 凝結(jié)水泥與水混合形成可塑漿體，隨

13、著時(shí)間推移、可塑性下降，但還不具備強(qiáng)度，此過程即為“凝結(jié)”； 硬化隨后漿體失去可塑性，強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，形成堅(jiān)硬固體，這個(gè)過程即為“硬化”。,硅酸鹽水泥的水化： C3S+H2O3CaO.2SiO2.3H2O(C-S-H) +Ca(OH)2(CH) C2S+H2O3CaO.2SiO2.3H2O(C-S-H)+ Ca(OH)2(CH) C3A + H2O 3CaO.AI2O3.6H2O(C3AH6) C4AF+H2O3CaO.AI2O3.6H2O(C3AH6)+CaO.Fe2O3.H2O（CFH） C3AH6+CaSO4.2H2O+H2O3CaO.AI2O3.3CaSO4.31H2O（AFt）,歸納起

14、來，硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物有五種，其中有兩種凝膠、三種晶體。 凝膠：水化硅酸鈣、水化鐵酸一鈣 晶體：氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣,根據(jù)現(xiàn)有的水泥凝結(jié)硬化理論，一般認(rèn)為水泥漿體硬化結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程可分為水化早期、水化中期和水化后期三個(gè)階段。 1、水化早期：大約在水泥拌水起至初凝時(shí)止，C3S迅速反應(yīng)生成Ca(OH)2。石膏和C3A反應(yīng)生成鈣礬石晶體。 水泥漿呈塑性狀態(tài)。,2、水化中期：大約從初凝起至24h止，水泥水化加速，生成較多的Ca(OH)2、鈣礬石晶體、水化硅酸鈣凝膠。 水化產(chǎn)物大量生成，水泥凝結(jié)。 3、水化后期：指24h以后直到水化結(jié)束。所有水化產(chǎn)物生成，數(shù)量不斷增加，結(jié)構(gòu)更加致密，

15、強(qiáng)度不斷提高。,影響水泥硬化的因素,1、熟料礦物組成的影響 硅酸鹽水泥的四種熟料礦物中，C3A,C3S的水化和凝結(jié)硬化速度最快，因此它們含量越高，則水泥凝結(jié)硬化越快。,2、水泥細(xì)度的影響 水泥顆粒的粗細(xì)直接影響水泥的水化、凝結(jié)硬化、強(qiáng)度、干縮及水化熱等，水泥顆粒越細(xì)，水化作用的發(fā)展就越迅速而充分，使凝結(jié)硬化的速度加快，早期強(qiáng)度也就越高。但水泥顆粒過細(xì)，硬化時(shí)產(chǎn)生的收縮亦較大。,3、拌合加水量的影響 拌合水越多，硬化水泥石中的毛細(xì)孔就越多，凝結(jié)硬化越慢，強(qiáng)度越低。 4、養(yǎng)護(hù)濕度和溫度的影響 用水泥拌制的砂漿和混凝土，在澆灌后應(yīng)注意保持潮濕狀態(tài)，以利獲得和增加強(qiáng)度。提高溫度可加速水化反應(yīng)。,5、養(yǎng)

16、護(hù)齡期的影響 水泥的水化硬化是一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期不斷進(jìn)行的過程，所以水泥在314d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，28d后增長(zhǎng)緩慢。,水泥的凝結(jié)硬化與粘土以及石膏和石灰的凝結(jié)硬化有著本質(zhì)的區(qū)別,粘土的凝結(jié)硬化,粘土的凝結(jié)硬化過程不存在化學(xué)反應(yīng)，他僅僅是因?yàn)樗值氖ナ沟霉腆w顆粒相互接觸形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，這一過程是可逆的，當(dāng)已經(jīng)硬化的粘土重新放入水中時(shí)，他將軟化甚至流動(dòng)，因此，粘土是氣硬性的。,石灰與石膏的凝結(jié)硬化,石灰與石膏的凝結(jié)硬化過程雖然存在著化學(xué)反應(yīng)，但他們的反應(yīng)產(chǎn)物具有較高的溶解度，因此，遇水后也將軟化。,水泥的凝結(jié)硬化,水泥的水化產(chǎn)物溶解度極低，一旦結(jié)構(gòu)形成，在水中不僅不能使這種結(jié)構(gòu)破壞，相反，由于

17、水化的不斷進(jìn)行，使得水泥石結(jié)構(gòu)得以加固，因而他是水硬性的。,（四）混凝土的特點(diǎn),與其他的一些建筑材料相比，混凝土材料主要有六大優(yōu)點(diǎn)： 1、就地取材，來源豐富，造價(jià)低廉。 制備混凝土的最大材料是砂、石材料，這些材料分布廣，易取用，且開采費(fèi)較低，因此，與其他建筑材料比，混凝土造價(jià)較低,2、具有優(yōu)良的性能。 混凝土材料具有很多優(yōu)良的性能，尤其是混凝土的壓縮強(qiáng)度較高。在建筑工程中，混凝土的壓縮強(qiáng)度可達(dá)幾十兆帕，甚至上百兆帕。,3、有一定的對(duì)大自然的抵抗力 通常情況下，混凝土材料具有一定的抵抗大自然作用的能力，如抵抗凍融破壞的能力，抵抗一些腐蝕的能力等等。如果混凝土配比適當(dāng)?shù)脑?，混凝土材料遠(yuǎn)比木材鋼材耐久，壽命可達(dá)幾百年以上。,4、具有一定的耐火性 混凝土材料不易燃燒。且在火中燃燒時(shí)仍能保持一定的強(qiáng)度，這比木材等強(qiáng)得多。 5、易于制備 混凝土材料可用各種方法制作成各種各樣的混凝土結(jié)構(gòu)，且具有較大的靈活性