混凝土结构形成与基本性能

混凝土结构形成与基本性能第1页，共60页，2023年，2月20日，星期日要求掌握：1.硅酸盐水泥矿物的水化过程；2.水泥石的相组成和物理结构；3.界面过渡区及其对混凝土性能的影响；4.混凝土拌合物性能、表征方法及其影响因素；5.硬化混凝土性能、表征方法及其影响因素。第2页，共60页，2023年，2月20日，星期日

通过学习，认识到材料的宏观性能和工程行为是由材料内部的组成和结构所决定的，而混凝土的组成和结构将随时间和外部环境条件下的变化而发生改变。本章是联系原材料、配合比设计、混凝土成型与养护工艺等相关环节的纽带。混凝土原材料的性能和配合比设计是决定混凝土内部结构和各项性能形成与发展的内在因素。成型和养护工艺是决定混凝土结构的形成与发展的外在因素。第3页，共60页，2023年，2月20日，星期日一、混凝土内部结构的形成原理

混凝土是将胶凝材料、水、粗细集料及各类化学外加剂按一定比例，经均匀拌和、密实成型及养护硬化后制成的的一种人造石材。

因此，混凝土内部结构的含义不仅包括水泥石的结构、即水化产物的类型、结晶状态、大小及聚集形式等，还包括固相组分的堆积状态、孔结构及水泥石-集料的界面等。混凝土内部结构特征、状态直接影响到混凝土材料的性能，同时它又受原材料及加工工艺过程的影响。因此研究其内部结构形成原理及特征对于我们改善混凝土性能、完善和改进工艺具有十分重要的意义。第4页，共60页，2023年，2月20日，星期日1、混凝土内部结构概述（1）混凝土内部结构原理

如前所述，混凝土是一种多相体系，内部结构十分复杂，其结构的形成过程也非常复杂，对这一体系的研究也是十分困难的。至今为止，对混凝土结构形成的原理，理论上也不十分成熟，目前较为认可的有两种说法：表面胶结原理多级分散原理第5页，共60页，2023年，2月20日，星期日（1）混凝土内部结构原理1）表面胶结原理可以从两种方式理解混凝土物理结构原理混凝土是由粗集料、细集料和水泥石组成的密实的体系，粗、细集料构成骨架，水泥石分布在集料颗粒表面，将它们胶结为一个具有强度的整体。

混凝土集料骨架粗集料细集料胶结料水泥石第6页，共60页，2023年，2月20日，星期日2）多级分散原理

混凝土的物理结构也可以理解为，粗集料为分散相分散在砂浆中而形成的一种粗分散系，同样砂浆是以细集料为分散相而分散在水泥石中的一种细分散系，水泥石是以水化硅酸钙为连续相，其他水化产物晶体、未水化水泥颗粒、水泥中的惰性组分为分散相而形成的微分散系。混凝土分散相：粗集料连续相：砂浆（细分散系）连续相：水泥石（微分散系）分散相：细集料分散相：晶体、颗粒等连续相：CSH凝胶第7页，共60页，2023年，2月20日，星期日（2）混凝土内部结构类型按照表面胶结原理，可以将混凝土内部结构分为三类：①悬浮—密实结构

按粒子干涉理论，为避免次级颗粒对前级颗粒密排的干涉，前级颗粒之间必须流出比次级颗粒粒径稍大的空隙供次级颗粒排布。按此组合的混凝土，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠扰而形成骨架。第8页，共60页，2023年，2月20日，星期日A、优点：新拌混凝土具有较小的内摩擦力，易于泵送。B、缺点：弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能不佳。第9页，共60页，2023年，2月20日，星期日②骨架—空隙结构

当混凝土中粗集料所占的比例较高，细集料很少时，粗集料可以相互靠拢形成骨架；但由于细颗粒数量较少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成骨架—空隙结构。这种结构适宜于制作透水混凝土。其他混凝土应避免这种结构，因其抗水、抗渗透能力差。第10页，共60页，2023年，2月20日，星期日③密实—骨架结构

当集料中断去中间尺寸的颗粒，既有较多数量粗集料可形成空间骨架，同时又有相当数量细集料可填实骨架的空隙时，形成密实骨架结构。这种结构的新拌混凝土有较高的内摩擦阻力，不易泵送；但弹性模量与抗折强度高，收缩、徐变小。第11页，共60页，2023年，2月20日，星期日结论：以上分析表明：粗集料的级配和堆积状态对混凝土的结构和性能影响很大，而水泥石是将粗细集料胶结成整体的关键。因此水泥水化形成水泥石的过程、水泥石的结构及集料与水泥石的界面是混凝土内部结构的决定因素。第12页，共60页，2023年，2月20日，星期日（1）硅酸三钙①

C3S的水化反应3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca(OH)2即:C3S+nH=C-S-H+（3-x)CH式中x——表示钙硅比（C/S）

n——表示结合水量2.硅酸盐水泥的水化第13页，共60页，2023年，2月20日，星期日A.C-S-H（水化硅酸钙）特点：凝胶（非晶体），水泥石强度主要提供物质组成不固定：[CaO]：0.112～1.12g/l时，C-S-H（Ⅰ）(0.8～1.5)CaO·SiO2·(0.5～2.5)H2O[CaO]>1.12g/l时，C-S-H（Ⅱ）(1.5～2.0)CaO·SiO2·(1～4)H2O第14页，共60页，2023年，2月20日，星期日B.CH（氢氧化钙）特点：较粗大晶体，造成水泥石强度下降；维持水泥石体系较高碱度，稳定C-S-H；可作为火山灰质等混合材的碱性激发剂。第15页，共60页，2023年，2月20日，星期日②

水化过程A.诱导前期急剧反应，出现第一个放热峰，时间很短，在15min以内结束。第16页，共60页，2023年，2月20日，星期日B.诱导期反应极其缓慢，又称静止期。一般持续1～4ｈ，是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原因。初凝时间基本上相当于诱导期的结束。第17页，共60页，2023年，2月20日，星期日C.加速期反应重新加快，出现第二个放热峰，到达峰顶时本阶段即告结束(4～8h)。此时终凝已过，开始硬化。第18页，共60页，2023年，2月20日，星期日⑷减速期：反应速率随时间下降的阶段，约持续12～24h，水化作用逐渐受扩散速率的控制。

⑸稳定期：反应速率很低、基本稳定的阶段，水化作用完全受扩散速率控制。

第19页，共60页，2023年，2月20日，星期日(2)硅酸二钙β型硅酸二钙的水化过程和C3S极为相似，β-C2S的水化反应可采用下式表示:2CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2即:C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH与硅酸三钙水化相似，区别在于：1、水化速率为硅酸三钙的1/20；2、水化形成的Ca(OH)2、C-S-H结晶困难，单独水化速度极慢，但是在硅酸盐水泥水化时受到硅酸三钙影响而水化加快。第20页，共60页，2023年，2月20日，星期日(3)铝酸三钙在常温下:2C3A+27H=C4AH19+C2AH8C4AH19在低于85%的相对湿度时，即失去6摩尔的结晶水而成为C4AH13。C4AH19、C4AH13和C2AH8均为六方片状晶体，在常温下处于介稳状态，有向C3AH6等轴晶体转化的趋势。

第21页，共60页，2023年，2月20日，星期日

在液相的氧化钙浓度达到饱和时，

C3A+CH+12H=C4AH13

在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生；处于碱性介质中的C4AH13在室温下能够稳定存在，其数量迅速增多，就足以阻碍粒子的相对移动，使浆体产生瞬时凝结。在水泥粉磨时通常都掺有石膏进行缓凝。第22页，共60页，2023年，2月20日，星期日

在石膏、氧化钙同时存在的条件下：

C4AH13+3CH2+14H=+CH

所形成的三硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石。由于其中的铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相，故常以AFt表示。钙矾石不溶于碱溶液而在C3A表面沉淀形成致密的保护层，阻碍了水与C3A进一步反应，因此降低了水化速度，避免了急凝。第23页，共60页，2023年，2月20日，星期日

当C3A尚未完全水化而石膏已经耗尽时：

C3A水化所成的C4AH13又能与先前形成的钙矾石依下式反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）

+2C4AH13=3+2CH+20H第24页，共60页，2023年，2月20日，星期日C3A的水化产物CaSO4·2H2O/C3A（摩尔比）水化产物3.0AFt1.0～3.0AFt+AFm1.0AFm<1.0单硫型固溶体0水石榴石C3AH6第25页，共60页，2023年，2月20日，星期日四、铁相固溶体铁铝酸钙的水化反应及其产物与C3A极为相似。氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作用，也就是在水化产物中铁置换部分铝，形成水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体，或者水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体。第26页，共60页，2023年，2月20日，星期日一、水化过程第27页，共60页，2023年，2月20日，星期日

第三个峰：水泥中硫酸盐含量一般不足以将全部C3A转化为AFt相，因而剩余的C3A与AFt相将转化为AFm即单硫酸盐相。

第一个峰：AFt相的形成第二个峰：相当于C3S的水化第28页，共60页，2023年，2月20日，星期日二、影响水泥水化的因素1.水泥矿物组成和晶体结构2.水泥细度和水灰比水泥粉磨得越细，比表面积就越大，与水接触的面积也越大，在其他条件相同的情况下，水化反应就会越快；水灰比在一定范围内变化时，适当增大水灰比，可以增大水化反应的接触面积，使水化速度加快。3.温度4.外加剂促凝剂、早强剂、缓凝剂等第29页，共60页，2023年，2月20日，星期日一、浆体结构的形成和发展第一阶段：大约从水泥加水起到初凝为止。

C3S和水迅速反应生成Ca(OH)2过饱和溶液，并析出Ca(OH)2晶体。同时石膏也很快进入溶液与C3A和C4AF反应，生成细小的钙矾石晶体。在这一阶段，由于生成的产物层阻碍了反应进一步进行，同时，水化产物尺寸细小，数量又少，不足以在颗粒间架桥连接形成网络状结构，水泥浆体仍呈塑性状态。

第30页，共60页，2023年，2月20日，星期日

第二阶段：大约从初凝到加水24h为止。水泥水化开始加速，生成较多的Ca(OH)2和钙矾石晶体，同时水泥颗粒上升开始长出纤维状的C-S-H。由于钙矾石晶体的长大和C-S-H的大量形成、增长而相互交错连接成网状结构，水泥开始凝结，随网状结构不断加强，强度也相应增长，将剩留在颗粒之间空隙中的游离水逐渐分割成各种尺寸的水滴，填充在相应大小的孔隙之中。

第31页，共60页，2023年，2月20日，星期日

第三阶段：加水24h以后，直到水化结束这一阶段，石膏已基本耗尽，钙矾石开始转化为单硫型水化硫铝酸钙，还可能会形成C4(A·F)H13。随着水化的进行，各种水化产物的数量不断增加，晶体不断长大，使硬化的水泥浆体结构更加致密，强度逐渐提高。

第32页，共60页，2023年，2月20日，星期日

二、硬化水泥浆体的结构硬化的水泥浆体是一个非均质的多相体系，是由各种水化产物和残存熟料所构成的固相、孔隙、存在于孔隙中的水及空气所组成。即硬化水泥浆体是固、液、气三相共存的多孔体。第33页，共60页，2023年，2月20日，星期日1.水化产物的基本特征各种水化产物的相对含量为：C-S-H凝胶约70%，Ca(OH)2约20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约7%，未完全水化的残留熟料和其他微量组分约3%。第34页，共60页，2023年，2月20日，星期日2.孔结构

⑴

C-S-H中的层间空间（又称凝胶孔）

C-S-H中的层间空间的宽度为1.8nm，在固体C-S-H中孔隙率占28％。该尺寸太小不会对水化水泥浆体的强度和渗透性起不良影响。但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在某些条件下会移去，可以造成干缩和徐变。第35页，共60页，2023年，2月20日，星期日

⑵毛细孔毛细孔代表未被水化水泥浆固体组分所填充的空间。水化良好的低水灰比浆体中，毛细孔在10～50nm范围内；在高水灰比浆体中，水化早期毛细孔可大至3～5um。大于50nm的毛细孔已被假定为是危害强度和抗渗性的，而小于50nm的孔则对干缩和徐变有更大的重要性。第36页，共60页，2023年，2月20日，星期日⑶气孔

气孔一般呈圆形，而毛细孔则呈不规则形状。在水化水泥浆体中，陷进的气孔可大至3mm，对水泥石强度和抗渗性影响非常大；混凝土中常常掺入引气剂，其目的是在水泥浆体中引入非常细小的气孔，引入的气孔大致范围在50～200um，有利于抗渗性的改善。第37页，共60页，2023年，2月20日，星期日3.水及其存在形式结晶水：是各种水化产物结构的整体部分，在干燥时不会失去。当水化产物受热分解时化学结合水才会放出。吸附水：细毛细管（5～50nm）中毛细张力所固定的水；固体表面物理吸附水；C-S-H层间为氢键所牢固固定的水等。失去吸附水将引起水化水泥浆体的收缩。自由水：在>50nm数量级的大孔中的水，可视为自由水。失去自由水不会造成任何体积改变。

第38页，共60页，2023年，2月20日，星期日

混凝土的特性混凝土从制作到制得成品都要经历拌合物、凝结硬化及硬化后三个阶段，掌握这三个阶段混凝土的性质特征，对于选择施工方法，控制质量将大有益处。第39页，共60页，2023年，2月20日，星期日

二、混凝土的基本性能（一）混凝土拌合物性能

混凝土搅拌后尚未凝结硬化的混合物称为拌合物，又称为新拌制的混凝土。新拌制的混凝土应具有—定的弹性、塑性和粘性。这些性质综合起来通常叫做和易性(稠度)。是混凝土拌合物的一种综合性的技术性质。第40页，共60页，2023年，2月20日，星期日

二、混凝土的基本性能（一）混凝土拌合物性能1、工作性（1）新拌混凝土的基本要求1）易于拌和与运输；2）质量均一、稳定、易于浇注；3）易于振捣与密实；最好避免振捣、自密实、低燥音或无燥；4）浇注、密实、成型过程中不产生离析、分层；5）成型后的混凝土表面易于修整。第41页，共60页，2023年，2月20日，星期日（2）工作性

工作性也可以定义为：制备充分密实而不产生分层离析的混凝土所需要的机械功（或能量）。

第42页，共60页，2023年，2月20日，星期日（1）流动性

混凝土拌合物在自重或施工机械振捣的作用下，产生流动并均匀密实地填满模板各个角落的能力。流动性的大小，反映混凝土拌合物的稀稠程度，又称之为稠度。它可以影响施工捣实的难易和灌筑的质量。

（2）粘聚性混凝土拌合物所表现的粘聚力。这种粘聚力使混凝土在受作用力后不致出现离析现象。（3）保水性指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力。保持水分的能力一般以稀浆析出的程度来测定。

第43页，共60页，2023年，2月20日，星期日1）用水量与高效减水剂（3）影响工作性的主要因素2）集料配比与集料性质3）水泥与掺合料的特性4）环境温度5）工作性的经时损失第44页，共60页，2023年，2月20日，星期日1）用水量与高效减水剂混凝土拌合物的初始状态可看作是由胶凝材料、集料等固体颗粒与水组成的一种流体。其中水可以分成三部分：A、吸附在固体颗粒表面的吸附水；B、填充在固体颗粒间的填充水；C、多加的附加水（自由水）。第45页，共60页，2023年，2月20日，星期日a、附加水对固体颗粒的流动起着分离、润滑的作用；因此水固比越大，拌合物塑性粘度越小，流动性越大，易于拌和。但过多的自由水（附加水）将导致拌合物分层、离析。b、在水固比一定的条件下，固体颗粒堆积孔隙越少，需要的填充水越少，而附加水也就相应增多，有利用拌合物的流动。c、固体颗粒越细，表面积越大，需要的吸附水越多，自由水就越少，塑性粘度和屈服应力将越大，拌和物流动性降低。第46页，共60页，2023年，2月20日，星期日d、固体颗粒表面吸附膜的厚度与其物理、化学特性及电性能有关。采用高效减水剂可以改变固体颗粒，特别是胶凝材料颗粒的表面性南，防止颗粒聚集，并减小吸附水膜的厚度，增大拌合物的流动性。第47页，共60页，2023年，2月20日，星期日2）集料配比与集料性质主要包含三个方面：A、集料的总量；B、粗、细集料的比例；C、集料的性质a、水灰比一定的条件下，集灰比增加将降低工作性；b、集料粒径越小，需要越多的水泥才能保持较好的工作性；c、细集料偏少将使拌合物粗糙、容易分层，浇注和修饰困难；d、细集料偏多（砂率偏大），工作性在一定范围内会变好，但是经济性较差，混凝土收缩会增大，硬化混凝土对水、气、介质渗透能力降低；e、集料的几何特征对拌合物的工作性影响也较大。第48页，共60页，2023年，2月20日，星期日

球形集料有滚珠效应，表面吸水少，利于工作性。多棱多角集料机械咬合强，不利于工作性。扁平与长条状集料，表面积-体积比高，需要较多的水和水泥，不利于工作性。光滑的比粗糙的更有利于工作性。多孔、吸水率高的将降低工作性。第49页，共60页，2023年，2月20日，星期日3）水泥与掺合料的特性A、水灰比不变时，增大水泥用量将明显有利于工作性的提高，但过高的水泥用量不仅不经济，还会导致混凝土体积稳定性变坏；B、胶凝材料越细，表面积越大，吸附水就越多，水化反应消耗水的速度也越快；不利于工作性。C、水泥中C3A、C3S含量越高，水化反应越快，消耗水的速度越快，也会降低工作性。D、拌合时水泥温度越高，越不利于工作性。第50页，共60页，2023年，2月20日，星期日4）环境温度环境温度越高，水向环境蒸发速度以及水泥水化反应速度越快，不利于工作性。因此高温季节施工时需多用水，更多应采措保水措施。第51页，共60页，2023年，2月20日，星期日5）工作性的经时损失

产生经时损失的原因：拌合后由于水的蒸发、水被吸收和吸附，以及水泥的水化耗水，再加之新的水化产物的形成改变了颗粒的表面结构，所以混凝土拌合后随着时间的推移，其屈服应力随时间的发展而增加。其拌合物的工作性会发生降低，此降低称为损失，即经时损失。减小经时损失的主要方法是掺加外加剂。第52页，共60页，2023年，2月20日，星期日主要有6种工作性的测定方法贯入试验流动试验重塑性试验固实性试验坍落度试验搅拌机试验第53页，共60页，2023年，2月20日，星期日2、离析与泌水

离析指混凝土拌合物成分相互分离，造成内部结构组成和结构不均匀的现象。通常表现为粗集料与砂浆相互分离，例如密度大的颗粒沉积到拌合物的底部，或者粗集料从拌合物整体中分离出来。造成离析的原因可能是浇注、振捣方法不适当，集料最大粒径过大，粗集料比例粗集料比例过高，胶凝材料和细集料的含量偏低，与细集料相比粗集料的密度过大，或者拌合物过干或过湿等。使用矿物掺合料或引气剂可降低倾向。第54页，共60页，2023年，2月20日，星期日

泌水指在拌合物浇注、密实之后。在凝结硬化之前，水分从拌合物内部迁移到表面的现象，是离析现象的一种特殊形式。