水泥基材料：混凝土結(jié)構(gòu)

混凝土的結(jié)構(gòu)混凝土是什么？混凝土是用最簡單的工藝制作的最復雜的體系與其他工程材料不同，混凝土結(jié)構(gòu)中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)與性能隨時間、溫度與濕度環(huán)境變化。比其他結(jié)構(gòu)材料（鋼材、木材）耐久制備工藝必須簡單否則不能成為最大宗的土木工程材料：原材料來源廣泛制作工藝簡單──混合、攪拌、成型體系必然復雜：原材料不能提煉，成分波動。微結(jié)構(gòu)形成時對環(huán)境和時間的依賴性——對溫度、濕度的敏感性；水化不斷進行造成動態(tài)的微結(jié)構(gòu)。因此造成性能的不確定性。性能隨微結(jié)構(gòu)的發(fā)展而發(fā)展,而微結(jié)構(gòu)具有不同層次(宏觀層次、亞微觀層次、微觀層次),多相(固相、液相、氣相)，非均質(zhì)性(依配合比不同而離散)。微結(jié)構(gòu)的不確知性——水泥水化形成復雜的凝膠，在目前技術(shù)水平下難以確定其結(jié)構(gòu)。混凝土屬于混沌體系（非線性體系），具有“蝴蝶效應(yīng)”──事物發(fā)展的結(jié)果對初始條件具有極為敏感的依賴性.初始條件極小的偏差將會引起結(jié)果的巨大差異。越是簡單的工藝，越有管理和控制的難度。因此：現(xiàn)代混凝土技術(shù)是時代的產(chǎn)物現(xiàn)代混凝土特點及其產(chǎn)生的原因建設(shè)的需要推動材料和技術(shù)的發(fā)展科學技術(shù)的發(fā)展提供條件混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展史上的里程碑相鄰學科的發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展史上的里程碑1850年鋼筋混凝土，1928年預應(yīng)力錨具是混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的兩次飛躍1918年美國的D.Abrams提出著名的水灰比定則，使混凝土的配制有了依據(jù)；上世紀六十年代日本和德國分別合成出萘磺酸鹽系和三聚氰胺系的高效減水劑，改變了混凝土傳統(tǒng)配制技術(shù)。這堪稱混凝土材料技術(shù)的兩個里程碑。什么是現(xiàn)代混凝土？工業(yè)化生產(chǎn)──預拌混凝土是現(xiàn)代混凝土的特征：減小了混凝土強度對水泥強度的依賴流變性能更加突出保證結(jié)構(gòu)耐久性的要求日益增強可持續(xù)發(fā)展提上議事日程現(xiàn)代混凝土的特點現(xiàn)代混凝土是以高效減水劑和礦物摻和料的大規(guī)模使用為特征。實用混凝土的強度范圍很寬，從C20到C80?；炷翉姸群退鄰姸乳g不再有線性關(guān)系。fb：膠凝材料的膠砂強度嚴酷環(huán)境中的建筑物增加，使耐久性要求日益提高。以預拌混凝土、泵送施工為主流。新拌混凝土的流變性能成為重要問題。在水泥水化熱增大、強度提高的同時，結(jié)構(gòu)尺度增大，大體積混凝土的范圍拓寬了。勞動力素質(zhì)、管理水平與質(zhì)量要求的矛盾。需求增加與資源短缺的矛盾。現(xiàn)代混凝土的特點現(xiàn)代混凝土技術(shù)和性能特點原材料：高強度的水泥──細度高、水化熱大、抗裂性差、長期性能增長的幅度小礦物摻和料多種多樣的化學外加劑配合比：較低的水膠比較大的膠凝材料用量(漿骨比較大）性能：強度提高，流動性大生產(chǎn)：預拌，泵送高性能混凝土HighPerformanceconcretePerformanceandProperties表演、執(zhí)行性質(zhì)、特性性能注釋：高性能混凝土的特性，是針對一定的應(yīng)用和環(huán)境所要求的。例如：

易于澆注早期強度滲透性水化熱體積穩(wěn)定性

可搗實、不離析長期力學性質(zhì)密度韌性在服務(wù)環(huán)境中運行壽命長久什么是高性能混凝土1990年美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)和美國混凝土協(xié)會(ACI)的定義:高性能混凝土是具有特殊性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴格的施工工藝、采用優(yōu)質(zhì)材料配制、便于澆搗、不離析、力學性能穩(wěn)定、早期強度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能而且耐久，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。1998年美國ACI提出：高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土，采用傳統(tǒng)的原材料和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護方法，往往不能大量地生產(chǎn)出這種混凝土。所指特性如：易于澆筑，振搗不離析，早強，長期力學性能，抗?jié)B性、密實性，低水化溫升，韌性，體積穩(wěn)定性，惡劣環(huán)境下的較長壽命。1999年吳中偉提出高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設(shè)計的主要指針。針對不同用途要求，對下列性能有重點地予以保證：即耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。住建部2014年發(fā)布

《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》以建設(shè)工程設(shè)計和施工對混凝土性能特定要求為總體目標，合理選用優(yōu)質(zhì)常規(guī)原材料，摻加外加劑和合理摻量的礦物摻合料，采用較低水膠比并優(yōu)化配合比，通過綠色和預拌生產(chǎn)方式以及嚴格的施工措施，制成符合本指南技術(shù)要求的、具有優(yōu)異綜合性能的混凝土。

高性能混凝土不是混凝土的一個品種而是強調(diào)混凝土的“性能”（performance）或者質(zhì)量、狀態(tài)、水平?；蛘哒f是一種質(zhì)量目標。對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調(diào)重點，即“特殊性能組合”。

高性能混凝土是整個工程全部環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)、配合共同得到的可持續(xù)發(fā)展的混凝土，不是只要有配合比就能生產(chǎn)的，而是由包括原材料控制、拌和物生產(chǎn)制備與整個施工過程來實現(xiàn)的。由于要求混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，混凝土在符合具體工程要求的各項具體性能的同時，必須是體積穩(wěn)定的、勻質(zhì)的?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)混凝土是一種隨時間變化、并受環(huán)境影響的多孔、在各尺度上多相的非均質(zhì)復雜體系。硬化混凝土由水泥漿體、骨料和界面過渡區(qū)組成?；炷恋男再|(zhì)取決于三個環(huán)節(jié)各自的性質(zhì)、相互關(guān)系及其整體均質(zhì)性。水泥漿體界面過渡區(qū)骨料粗觀，>mm細觀，μm微觀，nm混凝土骨料水泥石級配粒形表面狀態(tài)密實度硬化水泥漿體界面過渡區(qū)孔未水化顆粒水泥水化物空間分布填充狀況級配數(shù)量組成形貌原子、分子的堆積、鍵和能量水泥水化物1）骨料相AggregatePhase

影響混凝土的表觀密度、彈性模量、強度和尺寸穩(wěn)定性等物理性質(zhì)。

骨料的空隙率、孔徑與分布，以及粒形、級配對混凝土的性能影響很大。不同骨料的表觀密度普通骨料

2700kg/m3輕骨料

~1000kg/m3重骨料

>4000kg/m3影響混凝土的工作性、均勻性、強度、體積穩(wěn)定性。一些巖石的彈性模量與泊松比巖石種類

彈性模量(GPa)泊松比()

花崗巖6.0~60.00.11~0.23閃長巖60.0~80.00.25輝綠巖70.0~110.0砂巖6.0~25.00.07~0.22凝灰?guī)r2.0~20.0~0.11石灰?guī)r30.0~40.00.19~0.27大理巖50.0~80.00.25~0.58巖石種類滲透系數(shù)（cm/sec）滲透系數(shù)相同的水泥漿的W/C密實暗色巖2.47×10－120.38石英閃長巖8.24×10－120.42大理巖2.39×10－110.48大理巖5.77×10－10

0.66花崗巖5.35×10－9

0.70砂巖1.23×10－8

0.71花崗巖1.56×10－8

0.71骨料巖種與滲透性Mehta.P.K.混凝土：結(jié)構(gòu)、性能與材料一些巖石的滲透系數(shù)2）硬化水泥漿體相HardenedCementPastePhase

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)合水硬化水泥漿體微結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系1)強度

主要來源于水化物層間的范德華引力，結(jié)合力雖弱，但C-S-H、水化硫鋁酸鈣微晶表面積巨大(100~700m2/g，為水化前水泥顆粒的1000倍)，總作用力非?？捎^。2)尺寸穩(wěn)定性

濕度低于100%時，自由水蒸發(fā)，但并不伴隨收縮；繼續(xù)干燥使吸附水、層間水蒸發(fā)，收縮明顯。3)耐久性

硬化的水泥漿體可象致密的巖石一樣不透水。但即使骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比水泥漿體低一個數(shù)量級。這說明過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)決定著混凝土的滲透性。裂縫擴展的路徑和方向骨料水泥石骨料周圍的過渡區(qū)3）過渡區(qū)相TransitionZonePhase混凝土中的界面過渡區(qū)混凝土中的“第三相”薄弱部分，破壞首先發(fā)生的區(qū)域厚度～0.02mm水泥顆粒不能被切割在骨料顆?！捌健北砻嫘纬煽紫堵瘦^大的區(qū)域白線之間為距骨料表面20-50μm的區(qū)域1：數(shù)個骨料顆粒之間的高孔隙率區(qū)域2：單個骨料顆粒下方的氫氧化鈣晶體富集區(qū)應(yīng)力－應(yīng)變曲線水泥、骨料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系都是線性的。混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是非線性的，介于水泥和骨料之間。水泥石和骨料的彈性模量不同，當溫度、濕度變化時，水泥石和骨料變形不一致，致使在界面處形成細微的裂紋?；炷劣不?，水泥漿體中的水分向親水的骨料表面遷移，在骨料表面形成一層水膜，從而在硬化混凝土中留下微裂紋。內(nèi)分層和外泌水過渡區(qū)結(jié)構(gòu)模型Mehta模型Maso模型Langton模型解松善模型Mehta模型過渡區(qū)的水膠比較大水化物結(jié)晶粗大片狀Ca(OH)2形成擇優(yōu)取向?qū)覯aso模型骨料表面形成厚1μm的Ca(OH)2+CSH雙層膜雙層膜外是多孔區(qū)，填充有C軸平行于骨料表面的Ca(OH)2大晶體，C軸垂直于骨料表面的Ca(OH)2小晶體，以及大量Hadley粒子雙層膜多孔區(qū)Ca(OH)2晶體C軸垂直界面C-S-H凝膠Langton模型非活性骨料與水泥漿體間的界面層為雙層結(jié)構(gòu)。活性骨料與水泥漿體間的界面層為四層結(jié)構(gòu)。緊貼骨料表面的是骨料與水泥漿體反應(yīng)后生成的含堿凝膠層。解松善模型界面區(qū)分為四層： 接觸層 弱效應(yīng)層 富集層 刻蝕、滲透、擴散層骨料刻蝕滲透層水泥漿體本體界面區(qū)弱效應(yīng)區(qū)富集區(qū)過渡區(qū)對混凝土性質(zhì)的影響過渡區(qū)是混凝土中最薄弱區(qū)域，是力學性能和耐久性能的控制因素。過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，特別是孔體積和微裂縫，對混凝土的強度、剛性和彈性模量有很大影響。過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)決定著混凝土的滲透性，從而決定混凝土的耐久性好壞。過渡區(qū)結(jié)構(gòu)在混凝土受壓過程中的變化過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的測試方法微結(jié)構(gòu)：

顯微觀察：

SEM：SE象和BSE象 光學顯微鏡CT分析

成分分析：

EDS分析界面上的Ca/Si比。 斷面分析和表面分析

XRD相分析：確定氫氧化鈣晶體的擇優(yōu)取向度

水泥漿體與鋼管界面的顯微形貌水泥漿體內(nèi)部的顯微形貌20℃養(yǎng)護的水泥砂漿的BSE圖象90℃養(yǎng)護的水泥砂漿的BSE圖象用Wood合金浸漬后的混凝土結(jié)構(gòu)的BSE圖像CT技術(shù)計算機斷層掃描(CT)對被測物進行斷層掃描，利用計算機手段，重現(xiàn)被測物體三維空間結(jié)構(gòu)。X射線CT、同步輻射X射線CT、中子射線CT、超聲CT。同步輻射X射線CT圖AN---未水化熟料顆粒；HP---水化產(chǎn)物；P---空隙和毛細孔CT結(jié)果重建的三維視圖在水泥漿體中既有聯(lián)通的孔隙，也有孤立的孔。同樣放大倍數(shù)下SEM圖像(左)和CT圖像(右)的對比都可以分辨出砂漿中不同密度的區(qū)域以及未水化熟料顆粒，外部產(chǎn)物殼和Hadley顆粒。I(001)/I(101)＞0.74，存在擇優(yōu)取向001101界面區(qū)力學性能的測定：

1劈裂抗拉強度（誤差大）

2顯微硬度（誤差大）界面區(qū)滲透性的測定 尚無有效方法?？捎肕IP結(jié)果間接表征，或氣體透過、吸水法等做相對比較。過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的測試方法改善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的措施原則：

降低孔隙率，增加密實程度。細化晶粒，減少晶體的擇優(yōu)取向。措施：

降低水膠比。 摻加礦物摻合料。 優(yōu)化混凝土制備工藝。減小水膠比低水膠比提高了水泥石強度和彈性模量，使水泥石與骨料的彈性模量差減小，降低了微裂紋產(chǎn)生的幾率。低水膠比使界面處的水膜厚度降低，晶體自由生長的空間減少，使晶粒細化。水灰比不同的混凝土界面Ca(OH)2和Aft晶粒尺寸的變化摻加礦物摻合料降低水泥熟料的用量；自身的火山灰反應(yīng)消耗Ca(OH)2，使界面區(qū)的Ca(OH)2量減少，同時限制其擇優(yōu)取向?；鹕交曳磻?yīng)增加CSH的生成量；未參與反應(yīng)的摻合料細粉可填充過渡區(qū)的孔隙，使過渡區(qū)的密實度增加。優(yōu)化混凝土制備工藝常規(guī)攪拌投料順序：凈漿裹石工藝：

首先用部分膠凝材料以低水膠比的凈漿與石子攪拌，然后加入砂和其余的膠凝材料，以正常水膠比進行第二次攪拌。砂+石+水泥干混料出料加水干拌30s第四階段：裂縫擴展釋放的能量超過需要的能量，在臨界應(yīng)力持續(xù)作用下，裂縫自發(fā)擴展，速率加快，逐漸連通，使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定而破壞。。第三階段：荷載達到50%～75％時，裂縫由過渡區(qū)向硬化水泥漿體延伸，應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨向水平；第二階段：過渡區(qū)的裂縫開始擴展，變形增大的速率與應(yīng)力的增長（50%以內(nèi)）不再成直線關(guān)系；第一階段：荷載小于混凝土極限荷載的30％，應(yīng)力-應(yīng)變成線性（稱“比例極限”）；混凝土破壞和斷裂機制混凝土