混凝土的結(jié)構(gòu)、組成及特點

1、混凝土的結(jié)構(gòu)、組成及特點混凝土的結(jié)構(gòu)、組成及特點本節(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、特點及應用一.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?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，必須從混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來認識混凝土內(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：肉眼觀察，基本由兩相組成： （1）形狀和尺寸各異的骨料）形狀和尺寸各異的骨料 （2）相對連續(xù)的基體相）相對連續(xù)的基體相 混凝土是集料顆粒分散在水泥漿

2、基體中所組成的兩相材料。這一觀點忽略了界面性能和孔結(jié)構(gòu)等因素對混凝土性能的影響。 這是對混凝土最傳統(tǒng)的認識。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的稱為細骨料。 普通混凝土中所用細骨料，按來源分為天然砂和人工砂。天然砂一般是由天然巖石長期風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

3、雜質(zhì)。山砂顆粒多具有棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有機質(zhì)等有害雜質(zhì)較多。建筑工程中一般多采用河砂作細骨料。 人工砂為經(jīng)過除土處理的機制砂和混合砂的統(tǒng)稱。機制砂是由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于5mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風化巖石的顆粒。機制砂單純由礦石、卵石或尾礦加工而成。其顆粒尖銳，有棱角，較潔凈，但片狀顆粒及細粉含量較多，成本較高。混合砂是由機制砂和天然砂混合制成的。它執(zhí)行人工砂的技術(shù)要求和試驗方法。把機制砂和天然砂相混合，可充分利用地方資源，降低機制砂的生產(chǎn)成本。一般在當?shù)厝狈μ烊簧霸磿r，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)自然風化、水流搬運和

4、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、海卵石、山卵石等幾種，其中河卵石應用較多。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、氣三相并存的復雜體系，是混凝土的基相，對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：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、毛細孔（微?。?；氣孔（大）。 水分：毛細孔水、層間水、吸附水和化學結(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

5、型(Afm相) 固相 水泥顆粒 C-S-H：是一種形態(tài)不明確的無固定組成的化合物，占全部水化物體積的50-70%，對水泥的凝結(jié)硬化性能和強度起重要作用。 C-S-H凝膠比表面積很大,100-700m2/g。表面能高，粘結(jié)能力強。 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級內(nèi)，粒子間主要靠范德華力作用，是水泥石強度的主要來源。 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，決定了它對水泥石的強度貢獻很小。層間較弱

6、的環(huán)節(jié)可能是受力時裂縫的發(fā)源地。其溶解度較大，易受到酸性物質(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，AFt相消失就會出現(xiàn)AFm相。 AFt呈短粗桿狀，通常情況下長度不超過幾微米。 AFm呈六邊形狀，厚度是超微米量級。（2）漿體相孔隙 水泥石中的孔可分為三類：凝膠孔、毛細孔、非毛細孔。 C-S-H凝膠 C-S-H凝膠內(nèi)的層間孔 毛細孔 水泥石孔結(jié)構(gòu)包含孔隙率和孔徑分布兩個概念。 孔隙率：孔體積占水泥石體積的百分數(shù) 孔徑分布：不同孔徑尺寸范圍的

7、孔的體積百分數(shù)。 凝膠孔是水化水泥顆粒間的過渡空間，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 ，但能看到毛細管孔。 毛細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)的空間形成毛細孔，毛細管孔的孔隙在10-50nm，水泥石毛細孔孔隙率隨水泥石齡期的增長而下降。 非毛細孔是指孔徑比毛細孔孔徑大的孔，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度、密實度和耐久性。 對混凝土的強度而言，孔徑D

8、在20nm(納米)以下為無害孔， 在20-50nm為少害孔， 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性能的經(jīng)驗關(guān)系式： M=M0 exp(-bP) M 孔隙率為P時，水泥石的強度 M0孔隙率為0時，水泥石的強度 b為常數(shù)。 這個公式適應于低孔隙率時。 Schiller提出另一個經(jīng)驗關(guān)系式，可用于孔隙率較大的情況： Pcr M=D ln PD是一個常數(shù)，Pcr表示強度為0時的孔隙率。（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、化學結(jié)合水

9、、化學結(jié)合水： 是水泥石中各種水化產(chǎn)物中的水，低溫干燥時不會失去，當水化產(chǎn)物受熱分解時會放出來。對水泥石的收縮、徐變產(chǎn)生影響。 2、層間水：、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，強烈干燥時才會失去。對收縮、徐變影響很大3、吸附水：、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，處于毛細孔中，當相對濕度小于30%時，大部分會失去，對收縮和徐變均有影響。 4、毛細管水、毛細管水： 又稱自由水，存在于孔徑大于50納米的毛細管中，是不受范德華力影響的重力水。 水泥石毛細管中的水，是水泥繼續(xù)水化的水源和動力。 隨著水泥水化程度的提高，水泥石的毛細孔

10、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，會在不同的溫度、濕度下脫去，或在外力下流動，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主要組成相，即骨料與水泥漿本體都薄弱； 界面過渡區(qū)對混凝土力學性能的影響要遠比其尺寸產(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、定向生長的 CH 孔隙率較高、結(jié)構(gòu)疏松 過渡區(qū)的強度主要取決于過渡

11、區(qū)的強度主要取決于3個因素個因素： 1、孔的體積和孔徑大小， 2、 Ca(OH)2晶體的大小和取向，（比表面積小 ，相應的表面能低，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 A、石灰質(zhì)原料、石灰質(zhì)原料石灰石、白堊等石灰石、白堊等B B、粘土質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料黏土、黃土等黏土、黃土等SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3C C、校正原料、校正原料鐵礦粉、

12、砂巖等鐵礦粉、砂巖等SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3D D、礦化劑、礦化劑螢石（螢石（CaFCaF2 2）、石膏等）、石膏等降低水泥熟料的燒成溫度降低水泥熟料的燒成溫度礦物名稱英文名稱縮寫分子式礦 物 式硅酸三鈣AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二鈣BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2鋁酸三鈣AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3鐵鋁酸四鈣FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3化學組成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=

13、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 2）硅酸鹽水泥熟料的組成：）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（國標要求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，正因為如此，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)變成堅硬固體的過程是一個復雜的物理化學變化過程水泥的水化凝結(jié)硬化。凝結(jié)水泥與水混合

14、形成可塑漿體，隨著時間推移、可塑性下降，但還不具備強度，此過程即為“凝結(jié)”；硬化隨后漿體失去可塑性，強度逐漸增長，形成堅硬固體，這個過程即為“硬化”。 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） 歸納起來，硅酸鹽

15、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階段。 1、水化早期：大約在水泥拌水起至初凝時止，C3S迅速反應生成Ca(OH)2。石膏和C3A反應生成鈣礬石晶體。 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，強度不斷提

16、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、水泥細度的影響 水泥顆粒的粗細直接影響水泥的水化、凝結(jié)硬化、強度、干縮及水化熱等，水泥顆粒越細，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，早期強度也就越高。但水泥顆粒過細，硬化時產(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孔就越多，凝結(jié)硬化越慢，強度越低。 4、養(yǎng)護濕度和溫度的影響 用水泥拌制的砂漿和混凝土，在澆灌后應注意保持潮濕狀態(tài)，以利獲得和增加強度。提高溫度可加速水化反應。 5、養(yǎng)護齡期的影響

17、 水泥的水化硬化是一個較長時期不斷進行的過程，所以水泥在314d內(nèi)強度增長較快，28d后增長緩慢。 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反應，他僅僅是因為水分的失去使得固體顆粒相互接觸形成具有一定強度的結(jié)構(gòu)，這一過程是可逆的，當已經(jīng)硬化的粘土重新放入水中時，他將軟化甚至流動，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反應，但他們的反應產(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，由于水化的不斷進行，使

18、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 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： 1、就地取材，來源豐富，造價低廉。 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，且開采費較低，因此，與其他建筑材料比，混凝土造價較低 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度較高。在建筑工程中，混凝土的壓縮強度可達幾十兆帕，甚至上百兆帕。 3、有一定的對大自然的抵抗力 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?shù)脑?，混凝土材料遠比木材鋼材耐久，壽命可達幾百年以上。 4、具有一定的耐火性 混凝土材料不易燃燒。且在火中燃燒時仍能保持一定的強度，這比木材等強得多。 5、易于制備 混凝土材料可用各種方法制作成