建筑材料与性能_习题3

1习题3从相复合材料角度阐述混凝土组成与性能的关系混凝土是多相复合材料。在宏观层面，混凝土可视为是一种两相材料，由集料颗粒分散在水泥浆体基体中组成。但在微观层面，该结构的两相既不是相互均匀分布，也不是同质的。为了简化研究，我们可以近似将混凝土微观结构理解为两相复合体，从而认为混凝土由水泥石、集料组成。根据研究结果已知水泥石、集料的应力－应变曲线均近似线性，从而推论混凝土的应力－应变曲线应该是线性的（复合材料性能）。但是混凝土的应力－应变曲线与它的组成材料的应力－应变曲线均不相同，明显非线性，原因是出现了不同于水泥石、集料的新的作用因素——界面。界面过渡区（ITZ）是指骨料与普通水泥浆之间22~53μm的区域，它分为接触层（2~3μm）和中间层（20~50μm）两部分，其主要成分为Ca(OH)2结晶和钙矾石。界面过渡区对混凝土力学性能的影响有：（1）改善界面粘结强度，对抗压、抗拉强度都有提高，但对抗拉强度提高更显著。（2）界面开裂区对裂缝延伸的阻力小于集料和水泥石对裂缝延伸的阻力，因此断裂优先发生于ITZ区域，ITZ区域成为混凝土中的薄弱环节。（3）集料颗粒与水泥石弹性模量、泊桑比存在差异，导致混凝土受力作用时，ITZ区域出现应力或应变的增大现象。（4）降低W/C对界面强度的影响小于对基体强度的影响。（5）掺入硅灰可以改善ITZ性质。（6）提高界面粘结强度的效果对高强混凝土更显著，对普通混凝土不太显著。混凝土是一种颗粒填充型多相复合材料。如前述，可简化为两相复合材料。用两相分布模型简化分析此类材料，其中最为基础的有“并联模型”和“串联模型”，以及后来发展的“希尔施模型”、“汉森模型”和“Counto模型”。一、影响混凝土弹性模量的因素混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：A水泥石的弹性模量Ep、B骨料的弹性模量Ea、C骨料的体积含量（或水泥石的体积含量）Vg、D界面过渡区的特性。1、水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：Ep=E0(1-Pc)3，即孔隙率越大，弹性模量越低。2、骨料相的弹性模量（1）骨料的孔隙率：骨料越密实，弹性模量越高。（2）粗骨料的体积含量：弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高。3、界面过渡区特征空隙，微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力－应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。4、其他（1）混凝土弹性模量与抗压强度的关系。混凝土的弹性模量与强度间为非线性关系，一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大。2（2）孔隙的影响。对一个模量为E0、泊松比为v0、含体积分数为c球状孔的固体，其总模量E为：E=E0(1-c)2（3）混凝土的泊松比。混凝土泊松比随骨料含量的增加而增加。二、影响混凝土抗拉强度的因素1、龄期和强度增加时，拉压比减小。2、集料的性质：碎石混凝土抗拉强度＞卵石混凝土抗拉强度。3、干燥条件下养护混凝土抗拉强度下降。4、捣实不充分及加气会产生对混凝土抗压强度和抗拉强度的影响，但前者比后者大。三、混凝土受压破坏的若干结论1、受压破坏，或者在较低应力水平上拉伸破坏，都是因为多裂缝的相互作用所导致，而不是单一裂缝扩展的结果。2、硬化水泥浆或混凝土中裂缝的扩展不沿直线，而是绕过水泥石或骨料颗粒边缘，沿着弯曲的路径延伸，在此过程裂缝发生畸变与挫钝。3混凝土是硬化水泥浆、过渡区和骨料的复合体，三者各有其本身的断裂韧性（Kc），很难测定。四、影响混凝土强度的因素1、水灰比（W/C）对于混凝土这样的脆性材料，其内部的孔隙率（或密实度）越大，强度越低，反之越高。孔隙率与水灰比存在着相应的关系，而混凝土抗压强度与水灰比也有相应的关系，因此可以通过控制混凝土的水灰比从而提高其强度。2、龄期混凝土强度在最初3~7d增长较快，然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大至符合对数函数关系：fcu,n/fcu,a=lgn/lga式中：fcu,n--n天龄期混凝土的抗压强度fcu,a--a天龄期混凝土的抗压强度3、水泥水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度：（1）水泥的强度等级（混凝土强度与水泥强度成正比）（2）水泥细度（水泥比表面积越大，水化速度越快，混凝土早期强度增长快）（3）水泥矿物的组成（水泥矿物组成主要影响早期强度）（4）标准稠度需水量（需水量低则有利于降低水灰比和孔隙率，从而提高水泥石和混凝土的强度）（5）水泥性能的变异性4、外加剂外加剂通过改变水灰比、孔隙率而影响强度，主要有两种外加剂：化学外加剂和矿物外加剂。5、集料（1）骨料粒径。尽可能少选用大粒径的粗骨料，因为粒径越大，过渡区就3将越薄弱，并将含有更多的微裂缝，从而降低强度。（2）骨料矿物组成。使用石灰石骨料可以产生较高的强度。（3）骨料的表面特征。粗糙的表面有利于增加过渡区的粘结强度，另外，尽量避免使用针片状骨料，因为其容易引起应力集中，降低混凝土破坏的极限应力。6、养护水泥矿物的水化反应与温度、湿度有密切的关系，混凝土致密、均匀的微结构形成与温度、湿度有密切关系。所以，采用适当的养护手段将会提高混凝土的强度。