混凝土的组成结构和性能的关系

混凝土的组成、结构和性能的关系正确认识和科学理解混凝土1、按照材料科学的观点正确认识混凝土：材料科学的观点认为：材料的组成决定其结构和性能，改变其组成和结构，可以随之改变其性能。2、按照混凝土的生命周期规律科学理解混凝土：根据混凝土的制备工艺、早期养护过程、性能成熟过程、工作环境、性能衰退过程，这一混凝土的生命周期规律理解混凝土。混凝土的组成材料素混凝土所用原料组分为：•一、胶凝材料•二、粗集料•三、细集料•四、拌和水•五、外加剂（包括各种功能外加剂）•六、掺和料（功能组分）•钢筋混凝土•钢纤维混凝土•钢管混凝土•玻璃纤维增强混凝土•有机纤维增强混凝土等。硬化混凝土的相组成•硬化后的混凝土可以分为：•水泥基相（水泥水化产物）•分散粒子（集料、未水化部分）•界面过渡层•这是组成混凝土结构的三要素。胶凝材料胶凝材料是制备混凝土的根本材料，胶凝材料的特点是对砂、石等集料有较强的粘结能力。用于建筑工程的胶凝材料主要有：1、硅酸盐水泥系列：如：硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣、、粉煤灰、火山灰、复合水泥。2、硫铝酸盐水泥：由于该品种水泥具有快硬早强和低温硬化特点，在北方冬季施工时可以使用。其它品种的胶凝材料虽有各自的用途，一般不用于结构工程中如：高铝水泥（耐火水泥）、磷酸盐水泥（耐高温）、耐酸水泥等（耐酸）。根据工程性质的不同要求，还有一系列特性水泥：如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、大坝水泥等在一些特殊工程中应用。集料•按集料形成的条件分为：天然和人造•按集料容重分为：超轻质（保温隔热材料如球型珍珠岩）、轻质、结构用轻质、正常重、特重（防辐射重晶石）•集料有若干特性如：密度、级配、颗粒形状、空隙率等。•不同特性的集料，可以制备不同用途的混凝土。•集料所具有的性质与硬化混凝土的性能有十分密切的关系。外加剂•混凝土外加剂是赋予新拌混凝土和硬化混凝土特殊性能的物质。•每一种外加剂都有其特殊的作用。如：改善水泥混凝土用水量的外加剂，称作减水剂，按减水量的多少分为普通减水剂、高效减水剂。•普通减水剂：减水率在5-12%，有木质素磺酸盐（钙、钠）、糖蜜类（又叫糖钙）•高效减水剂：减水率大于12%的减水剂都称作高效减水剂。•常用的有：•萘系（萘磺酸盐甲醛缩合物）•氨基磺酸盐系（氨基磺酸盐、苯酚、甲醛缩合物）、•蜜胺系（三聚氰胺甲醛缩合物）、•聚羧酸系（以马来酸-烯烃为主要成分的反应性高分子化合物）•改善水泥凝结性能的外加剂有：促凝剂：烧明矾石、硫酸铝等。缓凝剂：三聚磷酸钠、蔗糖、酒石酸钾钠、柠檬酸等。•提高水泥早期强度的外加剂：早强剂：氯盐、硫酸钠、甲酸钙等。•防冻剂：能使混凝土在低温下硬化，在规定时间内达到临界防冻强度。原理是降低水的冰点，促进水泥水化。•引气剂：改善混凝土结构中的含气量。•膨胀剂：调整硬化混凝土的体积收缩率。•还有速凝剂、防水剂、泵送剂、增粘剂等许多品种：•以上列举的每一种外加剂，都有其特殊的作用，赋予混凝土独特的性能。•混凝土外加剂大大促进了混凝土科学技术的发展，拓宽了混凝土的应用领域。•目前发展最快、用途最广、贡献最大的外加剂应属高效减水剂。掺和料•硅灰：主要成分为无定型SiO2，其性能优势是比表面积高，活性大，对混凝土的强度贡献大。•稻壳灰和硫酸铝渣也属于这一类的硅质材料，其活性都非常高。•磨细矿渣：矿渣具有组成优势和结构优势。矿渣的潜在活性较高，粉磨到一定细度后，水化活性较高，对水泥强度贡献大；自分散性能好，在混凝土中有物理减水作用；在较大的掺量范围内都有较稳定的性能。矿渣的弱势是难磨，将其磨到比表面积380m2/kg以上非常困难，电耗较高，须选择有效的助磨剂。粉煤灰：粉煤灰具有颗粒形状优势，粉煤灰中的玻璃微珠多数为球形颗粒，流动性能好，混凝土的坍落度经时损失小，外加剂用量少，收缩小。弱势是活性差，对强度贡献小。偏高岭土：高岭土的性能优势是水化活性高，对水泥、混凝土的强度贡献大，抑制Ca(OH)2晶体生长，改善混凝土的界面结构效果显著，抗侵蚀能力强。弱势是需水性大，减水剂用量大，对降低混凝土的水灰比不利，混凝土的坍落度经时损失快。沸石粉：性能优势是多孔结构材料，有较强的吸附能力和离子交换能力，能有效阻止外侵Cl-离子、SO42-的体积扩散，对提高水泥石的抗侵蚀能力和抑制碱-骨料反应的发生都具有显著效果。弱势是需水性大，对降低混凝土的水灰比不利。水•水在混凝土中是不可缺少的组分，混凝土拌和用水和养护用水，对混凝土的性能都有重要影响。•拌和用水：赋予混凝土一定的流动性，和水泥发生化学反应，使水泥凝结、硬化，以满足混凝土的性能要求。•养护用水：保证水泥水化需要的一部分水，以满足强度发展的需要。•混凝土对水的要求：达到饮用水标准的，都可以用来拌和混凝土，当用非饮用水时必须按国家标准检测。•水对混凝土性能的影响：非饮用水中含有一些不确定的元素存在，对混凝土的性能有较大的影响。如氯离子、硫酸根离子、木质素、糖类、其它可溶性物质等。磁化水•有文献报道，使用磁化水拌和混凝土可以提高混凝土强度10-15%。其做法是在供水系统中增设相应规格的磁化水器，使水先行磁化。磁场强度为150-175KA/m，流速为0.9-1.0m/s。磁化水对水泥混凝土性能影响的机理还不清楚。三峡大坝鸟瞰三峡大坝混凝土的学问•世界水利史上使用混凝土最多的要数三峡大坝了，如将三峡主体工程所用混凝土制成1立方米的混凝土块，可绕地球赤道大半圈。由于用量大，所以就产生了世界上最大、最先进的混凝土生产系统。三峡大坝是用混凝土浇筑的整体，混凝土的使用寿命与三峡大坝的使用寿命有直接关系，这已成为世人关注的焦点。三峡大坝混凝土的学问•先说说石头。大块花岗岩，经过多次破碎、清洗、筛选，分解成大、中、小石，汇聚到仓库堆放。经过超细破碎的小石在棒磨机精心研磨下，成为合格的砂子。一块粗大的花岗石，就这样在12华里长的生产线上完成了从宏观到微观的转变，这就是目前世界上最大的人工砂石料生产系统。•坚硬如铁的混凝土，它的新生期是很娇气的，外部过高的温度加上水泥凝固时产生的热量，温度可达70-80℃会使新生的混凝土出现裂缝甚至报废。三峡大坝混凝土的学问•混凝土运输车也撑起了遮阳伞，进拌和楼装混凝土前还要冲个凉。•浇筑好的混凝土还要盖保温被防止高温侵入，质量监理象护士一样给混凝土量体温，指挥长和总工程师也到现场检查。混凝土在凝固中要产生很高的水化热，象给发烧的幼儿降温一样一方面洒水养护体表散热，另一方面通过内部埋设的冷却水管，用循环冷水降低内部温度，使温度降至7℃。•2.3公里长的三峡大坝是由一块块混凝土组合成的。三峡大坝混凝土的学问•在三峡大坝上设有止水铜片，它嵌进相邻的混凝土坝块，目的是阻隔江水渗入坝体。三峡大坝埋设的紫铜片，总长度超过100公里。据不完全统计，三峡大坝埋设的钢筋计和变形计以及各种监控仪器数以万计，总价值上亿元。它们组成一个完整的监测网络，不断地提供大坝的各种信息。•1800年前，罗马人用原始的罗马水泥――火山灰浇筑的万神殿屹立至今，今天用高科技筑成的三峡混凝土大坝必将历经千年风雨向后代子孙讲述建设者的功绩。三峡大坝混凝土的学问•三峡地处高热地带，高温季节长达五个月，混凝土的温度控制与防裂成为三峡工程的一件大事。•通过精确计算，搅拌完的混凝土最经济合理的温度为7℃，为达到这个温度，必须采取一系列措施降温。砂石高堆低取,有效地阻隔阳光幅射，底部取出的砂石比表层温度低10多度，砂石进贮料灌用循环冷气散热，夏天人们吃冰棍是为了图个凉快，三峡混凝土也要靠制冰机生产大量冰来降温。•三峡工程日浇混凝土一万多立方，控制温度需要的制冷量，要比南方百万人口城市的空调总量还要大。组成对混凝土结构的影响普通混凝土高性能化的关键就是改善混凝土的内部结构构造。要达到改善结构的目的，关键是控制砼结构形成过程中的水分运动。如上图所示，浇筑成型后的混凝土，由于水分运动形成外分层与内分层，故强度低、抗渗性差、耐久性低。通过调整混凝土级配、限制单方混凝土用水量及使用复合超细粉，可以改善结构、提高性能。组成对结构及性能的影响•1、组成对界面结构的影响，集料对混凝土体积稳定性的影响。•2、结构变化对性能的影响。混凝土的结构混凝土的结构•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。混凝土的结构•按混凝土结构的特点分为：•1、普通混凝土结构：C10-C40•2、高性能混凝土结构：C30-C80•3、钢筋混凝土结构：土木工程中应用最广泛的一种结构形式，也是材料性能完美组合的一种结构形式。•4、预应力混凝土结构：分为化学预应力和机械预应力。自应力混凝土就是利用混凝土产生的体积膨胀对钢筋产生了拉应力，钢筋的弹性回缩又对混凝土产生了压应力。结构特点是：改善结构的使用性能，充分利用高强度钢材，具有良好的裂缝自闭合性能，提高抗疲劳强度，具有良好的经济效益（节省20-40%的混凝土，30-60%的主筋钢材）。•5、纤维增强混凝土结构：大大改善混凝土的脆性。•混凝土的内部结构十分复杂，其特点表现为高度的不均匀性，是一种非均相材料，具有多相、多孔的结构特点。•所谓的多相是指气相、液相、固相三相并存。•所谓的多孔是指结构内部存在孔径大小不一的各种孔。•按孔径大小分为四类：1、搅拌带入的空气孔；2、引气剂孔；3、毛细孔；4、凝胶孔。混凝土的宏观结构•混凝土的结构，按表现形式和分析手段，可以分为宏观结构和微观结构。•从宏观来看；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。•目前多数非专业人士就是这样认识混凝土的，这是科学技术普及不够而制约混凝土技术发展的最愚昧的观点。混凝土的宏观结构这是我们肉眼看到的素混凝土的内部结构混凝土的微观结构•混凝土的微观结构是用现代分析方法对混凝土结构的观察和分析的结果。•利用SEM对水化产物进行形貌分析、界面结构分析。•利用能谱仪对产物进行成分分析。•利用DTA、XRD对水化产物进行定性定量分析。•利用压汞仪分析水泥石的孔结构，测定孔隙率和孔径分布。•还有红外光谱、核磁共振等先进分析手段混凝土的微观结构•普通混凝土的SEM照片，水化3天。有针状钙矾石和C-S-H凝胶，孔隙较多。混凝土的微观结构高性能混凝土的SEM照片，大量的凝胶，结构致密。混凝土的微观结构•C-S-H凝胶的能谱分析，凝胶的钙/硅比较低。混凝土的微观结构•普通混凝土的界面结构疏松，有钙矾石和Ca(OH)2混凝土的微观结构硬化水泥浆体的组成和结构•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。•水泥石中的固相是水化产物和未水化的水泥颗粒。•水化产物主要是C-S-H凝胶、Ca(OH)2晶体、钙矾石(AFt)、AFm、C3AH6硬化水泥浆体的组成和结构•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。•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，粘结能力差。硬化水泥浆体的组成和结构•钙矾石AFt：六角柱状或针状晶体。•AFm：板状结晶，水泥中石膏不足时，由AFt转化而成。硬化水泥浆体的组成和结构水泥水化28天的SEM照片，交织在一起的凝胶、钙矾石和Ca(OH)2硬化水泥浆体的结构•水泥石中六方片状的Ca(OH)2晶体，在较大的孔隙中形成。硬化水泥浆体的结构•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