混凝土的结构、组成及特点

混凝土的结构、组成及特点本节内容1、混凝土的结构2、矿物组成3、混凝土的凝结硬化4、特点及应用一.混凝土的结构•材料的性能与其内部结构有着密切的依存关系。•材料的内部结构决定了其性能，适当地改变其结构可以改变其性能。这就是结构与性能之间的关系•混凝土材料也是如此，在研究混凝土的各种性能时，必须从混凝土的内部结构来认识混凝土内在的影响因素和变化规律。1混凝土的宏观结构抛光混凝土断面混凝土的宏观结构肉眼观察，基本由两相组成：（1）形状和尺寸各异的骨料（2）相对连续的基体相•混凝土是集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相材料。这一观点忽略了界面性能和孔结构等因素对混凝土性能的影响。•这是对混凝土最传统的认识。2混凝土的微观结构混凝土的微观结构混凝土的微结构是由三部分（相）组成（1）骨料相（2）浆体相（3）界面过渡区2.1骨料相普通混凝土所用骨料按粒径大小分为细骨料和粗骨料。粒径大于5mm的称为粗骨料，粒径小于5mm的称为细骨料。•普通混凝土中所用细骨料，按来源分为天然砂和人工砂。天然砂一般是由天然岩石长期风化等自然条件形成的。根据产源不同，天然砂可分为河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。河砂和海砂由于长期受水流的冲刷作用，颗粒表面比较圆滑，且产源较广，但海砂中常含有贝壳碎片及可溶盐等有害杂质。山砂颗粒多具有棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有机质等有害杂质较多。建筑工程中一般多采用河砂作细骨料。•人工砂为经过除土处理的机制砂和混合砂的统称。机制砂是由机械破碎、筛分制成的，粒径小于5mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。机制砂单纯由矿石、卵石或尾矿加工而成。其颗粒尖锐，有棱角，较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，成本较高。混合砂是由机制砂和天然砂混合制成的。它执行人工砂的技术要求和试验方法。把机制砂和天然砂相混合，可充分利用地方资源，降低机制砂的生产成本。一般在当地缺乏天然砂源时，采用人工砂。•普通混凝土通常所用的粗骨料有碎石和卵石两类。卵石是由天然岩石经自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于5mm的颗粒。按其产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等几种，其中河卵石应用较多。碎石大多由天然岩石经破碎、筛分制成，也可将大卵石轧碎筛分制得。2.2浆体相硬化水泥浆体又称水泥石，是固、液、气三相并存的复杂体系，是混凝土的基相，对硬化混凝土的性能起着关键性的作用硬化水泥浆体的特点：不均匀，含多种固相、孔隙和水。•固相：水化硅酸钙（C-S-H）;水化硫铝酸钙微晶；氢氧化钙片状大结晶；未水化水泥。•孔隙：层间孔、毛细孔（微小）；气孔（大）。•水分：毛细孔水、层间水、吸附水和化学结合水（1）浆体相——固相C-S-H凝胶Ca(OH)2晶体•水化产物钙矾石(AFt相)单硫型(Afm相)•固相•水泥颗粒C-S-H：是一种形态不明确的无固定组成的化合物，占全部水化物体积的50-70%，对水泥的凝结硬化性能和强度起重要作用。C-S-H凝胶比表面积很大,100-700m2/g。表面能高，粘结能力强。水化硅酸钙形态主要为结晶差的纤维状、针棒状、网状和内核状的凝胶胶粒，均在μm级内，粒子间主要靠范德华力作用，是水泥石强度的主要来源。六方片状的Ca(OH)2晶体Ca(OH)2:在普通混凝土中，Ca(OH)2晶体约占全部水化产物的20%，其形态是六方板状晶体，晶体呈层状构造，粘结能力差。由于Ca(OH)2晶体的结构和形状，决定了它对水泥石的强度贡献很小。层间较弱的环节可能是受力时裂缝的发源地。其溶解度较大，易受到酸性物质侵蚀影响混凝土的耐久性。AFt：钙矾石又称AFt(C3A•3CS•H32)，其中Fe可以部分替换Al，硅酸盐水泥水化几小时后形成，水化几天后，AFt数量减少。AFm:单硫型水化硫铝酸钙相，，水泥水化时，AFt相消失就会出现AFm相。AFt呈短粗杆状，通常情况下长度不超过几微米。AFm呈六边形状，厚度是超微米量级。（2）浆体相——孔隙•水泥石中的孔可分为三类：凝胶孔、毛细孔、非毛细孔。C-S-H凝胶C-S-H凝胶内的层间孔毛细孔•水泥石孔结构包含孔隙率和孔径分布两个概念。•孔隙率：孔体积占水泥石体积的百分数•孔径分布：不同孔径尺寸范围的孔的体积百分数。•凝胶孔是水化水泥颗粒间的过渡空间，尺寸1.5～3nm，水泥凝胶的最小孔隙率占水泥凝胶体积的28%，即凝胶孔约占凝胶体的1/3。•在SEM分析中，看不到凝胶孔，但能看到毛细管孔。•毛细孔代表未被硬化水泥浆体占据的空间。在水化过程中水泥和水占据的空间不断被水化产物填充未被占据的空间形成毛细孔，毛细管孔的孔隙在10-50nm，水泥石毛细孔孔隙率随水泥石龄期的增长而下降。•非毛细孔是指孔径比毛细孔孔径大的孔，通常又称气孔。气孔一般呈球形，孔径较大，存在于粗集料间。包含引气剂带入的微细气泡和拌和过程中引入的气泡，这些气孔影响着水泥石的强度、密实度和耐久性。对混凝土的强度而言，孔径D在20nm(纳米)以下为无害孔，在20-50nm为少害孔，在50-200nm为有害孔，大于200nm为多害孔。•Ryshkewitch提出孔隙率和水泥浆体力学性能的经验关系式：•M=M0exp(-bP)•M孔隙率为P时，水泥石的强度•M0孔隙率为0时，水泥石的强度•b为常数。•这个公式适应于低孔隙率时。•Schiller提出另一个经验关系式，可用于孔隙率较大的情况：PcrM=Dln——PD是一个常数，Pcr表示强度为0时的孔隙率。（3）浆体相——水水泥石中的液相是含有可溶性离子的水。水泥石中的水随着环境湿度的变化而变化，根据水从水泥石中失去的难易程度划分为四种类型：1、化学结合水：是水泥石中各种水化产物中的水，低温干燥时不会失去，当水化产物受热分解时会放出来。对水泥石的收缩、徐变产生影响。2、层间水：处于C-S-H凝胶层间，由氢键牢固地结合。存在于凝胶孔中，强烈干燥时才会失去。对收缩、徐变影响很大3、吸附水：又称物理吸附水，吸附于水泥石的内表面上，可形成多分子层吸附，处于毛细孔中，当相对湿度小于30%时，大部分会失去，对收缩和徐变均有影响。4、毛细管水：又称自由水，存在于孔径大于50纳米的毛细管中，是不受范德华力影响的重力水。水泥石毛细管中的水，是水泥继续水化的水源和动力。随着水泥水化程度的提高，水泥石的毛细孔孔隙率和凝胶孔孔隙率逐步降低。水的作用•水份在水泥石结构中以不同的形态存在，会在不同的温度、湿度下脱去，或在外力下流动，这都是混凝土收缩变形、收缩裂纹的根源和蠕变变形的根源。•而裂纹和收缩是混凝土破坏和体积不稳定性的重要原因。2.3界面过渡区•界面过渡区表示的是一个在粗骨料颗粒附近的小区域；•界面过渡区在大骨料周围以10-50μm厚度的薄壳存在，一般要比混凝土的两个主要组成相，即骨料与水泥浆本体都薄弱；•界面过渡区对混凝土力学性能的影响要远比其尺寸产生的影响大得多。界面过渡区的特征•C-S-H凝胶较少，Aft浓度较大•存在大的、定向生长的CH•孔隙率较高、结构疏松•过渡区的强度主要取决于3个因素：1、孔的体积和孔径大小，2、Ca(OH)2晶体的大小和取向，（比表面积小，相应的表面能低，粘结力差。）3、存在的微裂缝和孔隙。（由于泌水，在集料周围形成较厚的水膜，造成较大的孔隙。）水化产物和集料间的粘结力主要是范德华力，所以界面强度较低。如何提高界面的粘结力，是提高混凝土性能的关键所在。二、混凝土的矿物组成：（1）混凝土生产原料：A、石灰质原料—石灰石、白垩等CaOB、粘土质原料—黏土、黄土等SiO2、Al2O3、Fe2O3C、校正原料—铁矿粉、砂岩等SiO2、Al2O3、Fe2O3D、矿化剂—萤石（CaF2）、石膏等降低水泥熟料的烧成温度矿物名称英文名称缩写分子式矿物式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：（2）硅酸盐水泥熟料的组成：另外还含有少量的其它矿物质：如f—CaOf—MgO方镁石含碱矿物及玻璃体：其中K2O、Na2O含量较高（国标要求＜0.6%）在上述的主要矿物中，C3S、C2S的含量多在70%以上，C3A、C4AF的含量在25%左右。也就是说在熟料中大量存在的是硅酸盐矿物，正因为如此，由这种熟料配制而成的水泥我们称其为硅酸盐水泥。（三）混凝土的凝结硬化过程•水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程——水泥的水化凝结硬化。凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。硅酸盐水泥的水化：C3S+H2O→3CaO.2SiO2.3H2O(C-S-H)+Ca(OH)2(CH)C2S+H2O→3CaO.2SiO2.3H2O(C-S-H)+Ca(OH)2(CH)C3A+H2O→3CaO.AI2O3.6H2O(C3AH6)C4AF+H2O→3CaO.AI2O3.6H2O(C3AH6)+CaO.Fe2O3.H2O（CFH）C3AH6+CaSO4.2H2O+H2O→3CaO.AI2O3.3CaSO4.31H2O（AFt）归纳起来，硅酸盐水泥的主要水化产物有五种，其中有两种凝胶、三种晶体。凝胶：水化硅酸钙、水化铁酸一钙晶体：氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙根据现有的水泥凝结硬化理论，一般认为水泥浆体硬化结构的发展过程可分为水化早期、水化中期和水化后期三个阶段。1、水化早期：大约在水泥拌水起至初凝时止，C3S迅速反应生成Ca(OH)2。石膏和C3A反应生成钙矾石晶体。水泥浆呈塑性状态。2、水化中期：大约从初凝起至24h止，水泥水化加速，生成较多的Ca(OH)2、钙矾石晶体、水化硅酸钙凝胶。水化产物大量生成，水泥凝结。3、水化后期：指24h以后直到水化结束。所有水化产物生成，数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。影响水泥硬化的因素•1、熟料矿物组成的影响硅酸盐水泥的四种熟料矿物中，C3A,C3S的水化和凝结硬化速度最快，因此它们含量越高，则水泥凝结硬化越快。•2、水泥细度的影响水泥颗粒的粗细直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度、干缩及水化热等，水泥颗粒越细，水化作用的发展就越迅速而充分，使凝结硬化的速度加快，早期强度也就越高。但水泥颗粒过细，硬化时产生的收缩亦较大。•3、拌合加水量的影响•拌合水越多，硬化水泥石中的毛细孔就越多，凝结硬化越慢，强度越低。•4、养护湿度和温度的影响•用水泥拌制的砂浆和混凝土，在浇灌后应注意保持潮湿状态，以利获得和增加强度。提高温度可加速水化反应。•5、养护龄期的影响水泥的水化硬化是一个较长时期不断进行的过程，所以水泥在3～14d内强度增长较快，28d后增长缓慢。•水泥的凝结硬化与粘土以及石膏和石灰的凝结硬化有着本质的区别粘土的凝结硬化粘土的凝结硬化过程不存在化学反应，他仅仅是因为水分的失去使得固体颗粒相互接触形成具有一定强度的结构，这一过程是可逆的，当已经硬化的粘土重新放入水中时，他将软化甚至流动，因此，粘土是气硬性的。石灰与石膏的凝结硬化石灰与石膏的凝结硬化过程虽然存在着化学反应，但他们的反应产物具有较高的溶解度，因此，遇水后也将软化。水泥的凝结硬化水泥的水化产物溶解度极低，一旦结构形成，在水中不仅不能使这种结构破坏，相反，由于水化的不断进行，使得水泥石结构得以加固，因而他是水硬性的。（四）混凝土的特点与其他的一些建筑材料相比，混凝土材料主要有六大优点：1、就地取材，来源丰富，造价低廉。制备混凝土的最大材料是砂、石材料，这些材料分布广，易取用，且开采费较低，因此，与其他建筑材料比，混凝土造价较低•2、具有优良的性能。混凝土材料具有很多优良的性能，尤