水泥石微结构

1、水泥石微结构与强度性能水泥石的结构 水泥石是不同组成的，含有一定比例的毛细孔隙的非均质固体。 固相可分为：胶体胶体：C-S-H凝胶亚微观晶体亚微观晶体：新生成的Ca(OH)2，水化后期生成的AFt大晶体大晶体：结晶完整的Ca(OH)2与AFt，未水化的熟料矿物。背散射扫描电镜照片背散射扫描电镜照片硬化水泥浆体中的空隙 C-S-H凝胶中的层间空间对强度和渗透性无影响，可导致干缩和徐变。 毛细孔对强度、渗透性、干缩和徐变都有影响。 气孔在制备过程中带入，或有意加入。硬化水泥浆体中的水 毛细孔水：存在于5nm以上孔隙中的水。不受固体表面力场的影响。1）在大于50nm的大孔中的水，为自由水。失去这种水

2、不会造成体积变化。2）在5-50nm的小孔中的水，受毛细力的影响，失去这种水可造成收缩。 吸附水固体表面物理吸附水。干燥到RH = 30%时，大部分吸附水将失去，造成干缩。 层间水位于CSH层状结构内部，仅当RH 小于 11%时，层间水失去，导致明显收缩。 化学结合水水化产物的有机组成部分，只有在分解时才会失去，导致化合物解体。水泥石的孔结构 毛细孔是硬化水泥浆体中最重要的非固相微结构元。 毛细孔的孔径、形状与连通度对于硬化水泥浆体的性能影响很大。 尚无一种方法能全面反映毛细孔的特征。水泥石孔结构与主要影响因素 根据Powers的理论，水泥石的孔隙率与水胶比和水化程度有关。当水化程度等于1时，

3、水泥石的相对密实度最大。水泥完全水化所需的最小水灰比为0.38。水泥浆体中的孔分类尺寸测定方法来源大孔5104埃光学显微镜成型气孔宏观孔500 埃压汞测孔仪新拌浆体充水空间的残留部位中孔26500 埃压汞测孔仪或BET 法新拌浆体充水空间的残留部位，与 CSH 凝胶生成有关的小孔毛细孔微孔26 埃BET 或 SAXS随 CSH 凝胶生成而产生孔的分类和作用孔的分类和作用吴中伟对孔的分类：无害孔：20nm 少害孔：2050nm有害孔：50200nm 多害孔：200nm由此，吴中伟提出高强轻质混凝土的数学模型最大最小iiiexeei：第i级孔的分数xi：第i级孔的影响系数强度最高容重最小近藤连一和

4、大门正机的孔级配划分：凝胶微晶内的孔：孔半径 6 Angstrom凝胶微晶间的孔：孔半径 610 Angstrom凝胶粒子间的孔：孔半径 161000 Angstrom 毛细孔： 孔半径 1000 Angstrom Mehta的分类：1320 Angstrom 的孔对混凝土的强度和渗透性无影响，将其分为4级。Odler则认为200 Angstrom 的孔对混凝土的强度无影响。水泥石的强度发展 水泥石的强度发展取决于总孔隙率，水化产物、微裂纹和孔隙特征也对强度发展有影响。强度发展与浆体总孔隙率的关系R=R0(1-p0)nR0：浆体理论强度，约680MPap0：孔隙率 n：经验指数=0exp(-B

5、sp) 同种材料，在相当宽范围内，力学性能与孔隙率具有某种关系。 具有相同孔隙率的不同材料，由于孔径分布不同，其力学性能有很大差别。 材料中具有适当大小的增强颗粒对提高强度有益。1 10 20 40孔隙率，%强度抗压强度抗压强度孔隙率孔隙率颗粒级配的关系颗粒级配的关系各种因素对水泥石孔结构的影响 水胶比水胶比水胶比对水泥石孔结构的影响最大。随水胶比增大，总孔隙率、开口孔孔隙率和孔径都增加。 龄期龄期随养护龄期延长，水泥石总孔隙率和毛细孔孔隙率减少；凝胶孔孔隙率增加。 细度和颗粒组成细度和颗粒组成提高细度使颗粒表面的水膜变薄，从而使毛细孔初始孔径变小。 较粗的水泥颗粒水化时，在水泥颗粒表面生成屏

6、蔽薄膜，水化是多相扩散过程控制。 水化产物沿屏蔽薄膜里外两面结晶，充填毛细孔。 形成两类孔：凝胶孔和大毛细孔。 较细的水泥水化时按纯结晶机理水化，分散度高，在细颗粒周围不形成屏蔽膜。 在强烈过饱和溶液中各种固体微粒周围都有结晶的水化产物生成。 形成凝胶孔、微毛细孔和较少的大毛细孔。 养护条件对孔结构影响很大水泥颗粒间的空隙全部由水充填，如果水泥石形成时部分水分蒸发，这部分体积不能被水化产物填充，将形成大孔。由于物理蒸发和化学收缩导致的内部“真空”使大孔脱水。在水中养护时，浆体内部“真空”使外部水分被吸入。随水泥的水化，毛细孔空间由水化产物填充，使孔径减小，孔隙率降低。水泥石内部微裂纹对其力学性

7、能的影响 水泥石是脆性材料，它的破坏可用 Griffith理论来描述。 在材料内部存在长度为2C的微裂纹时，导致裂纹自动扩展的临界应力为CE2E：弹性模量：表面能Irwin 对应用于具有假塑性的水泥基材料的Griffith判据作了修正。他认为水泥基材料的断裂表面能远大于热力学表面能。所以：pECp：断裂表面能 在硬化水泥浆体中存在不同形式和尺寸的裂缝通道元和裂缝阻挡元。裂缝通道元； Ca(OH)2片状晶体的层间裂面。 相邻凝胶粒子接触处。 凝胶粒子内外包络面的径向裂面。 未水化熟料颗粒的外表面。裂缝阻挡元； 局部高阻力区。钝化的裂缝前沿区。 裂缝通道元和裂缝阻挡元的存在使裂缝扩展初期会受到暂时

8、的抑制，进一步增加荷载则可形成新的裂缝通道。所以硬化水泥浆体不会由一条临界裂缝而破坏。 弹性模量和断裂表面能均是孔隙率P的函数：E=E(P)P=(1-P) 在实际的多孔材料中，由于相邻的裂缝之间存在相互作用，有效最大裂缝长度c敏感地取决于孔尺寸分布（PSD），尤其取决于发现大孔的几率：c=c(PSD) 所以Griffith判据可修正为：)PSD()1 ()(2CPPE 当硬化水泥浆体受荷破坏前，裂缝在浆体中是沿着浆体内表面能量最低处开展的。由于CSH凝胶内部的不均匀性，裂缝开展时可以穿越凝胶内部；也可以绕开胶粒表面，在两个胶粒之间穿过，胶粒不发生破坏。硬化水泥浆体中微裂缝的产生 制备工艺不完善

9、 水化硬化过程中的结晶凝聚 徐变和收缩高强水泥基材料的微结构 水泥基材料的最终强度由其各组成相的性质、数量、分布以及相互结合方式所决定。 孔结构是影响材料力学性能的最重要因素。 高性能混凝土中水泥石结构模型高性能混凝土中水泥石结构模型硬硬化化前前硬硬化化后后 用一般的混凝土制备技术，即选择好的骨料、选用高强水泥与矿物掺合料、合适的配合比、低水胶比、合理的养护制度，能提高水泥基材料的强度，但程度有限。 超高强水泥基材料必须用专门的技术（热压、压蒸）和专门的材料（聚合物、纤维和硅灰等）制备。 超高强水泥基材料的微结构特征是低孔隙率、高密度和无大缺陷。 通过物理的、化学的和物理化学的方法来达到目的。 物理方法：1、压实2、浸渍（聚合物或