普通混凝土的硬化結(jié)構(gòu)

普通混凝土的硬化結(jié)構(gòu)第1頁/共241頁主要內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)概述普通混凝土宏觀堆聚結(jié)構(gòu)的分層現(xiàn)象硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)及凝結(jié)硬化水泥石的亞微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度水泥石的工程性質(zhì)水泥漿體與集料間的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)水泥石—集料的界面粘結(jié)和微裂縫第2頁/共241頁一、混凝土結(jié)構(gòu)概述普通混凝土的宏觀組織呈堆聚狀，它是由各種形狀和大小的集料顆粒和水泥石所組成。見圖：其中其膠結(jié)作用的物質(zhì)，是由水泥凝結(jié)硬化而成的水泥石?；炷潦嵌嘞啵庀唷⒁合唷⒐滔啵?、多孔的材料。從宏觀上看，可將混凝土視為由集料顆粒分散在水泥漿基體中的兩相材料。微觀上，存在毛細(xì)管、孔隙及其中所含的氣和水以及微裂縫等內(nèi)在的缺陷。在水泥漿與集料結(jié)合的界面，還存在著過渡區(qū)。硬化混凝土的結(jié)構(gòu)是由3部分組成：水化水泥漿體、集料、水泥漿體和集料的過渡區(qū)。

第3頁/共241頁一、混凝土結(jié)構(gòu)概述我們可以把普通混凝土看成是由水泥石與粗細(xì)集料組成的復(fù)合材料。它的力學(xué)性能主要取決于水泥石的性能、粗細(xì)集料的性能，以及水泥石與集料之間的粘結(jié)力和它們的相對體積含量。第4頁/共241頁水泥石亞微觀結(jié)構(gòu)水泥石的含量約占總體積的1/4,通常對混凝土的性能的影響起著主要作用。水泥石的亞微觀結(jié)構(gòu)見圖，對水泥石和混凝土許多性能的影響，顯得更為重要。第5頁/共241頁

普通混凝土還具有毛細(xì)管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。它與混凝土的一系列物理性質(zhì)，有著密切關(guān)系。這些毛細(xì)管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細(xì)管孔腔和凝膠孔，以及水泥石和集料接觸處的空穴等等。此外可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。普通混凝土的孔隙率，一般不少于8-10%.混凝土結(jié)構(gòu)形成過程：從混合料的制備和澆灌入模的時候就開始了。此后，在混凝土的密實(shí)成型時期、養(yǎng)護(hù)和硬化時期，以及在混凝土制品和結(jié)構(gòu)物的使用時間，其結(jié)構(gòu)都有很大的發(fā)展和變化。但是，對混凝土的結(jié)構(gòu)起著重要作用的，則是從混凝土澆灌入模、密實(shí)成型時起，到混合料凝結(jié)而失去其流動性，以及隨后混凝土養(yǎng)護(hù)和硬化的一段時間。第6頁/共241頁二、普通混凝土宏觀堆聚結(jié)構(gòu)的分層現(xiàn)象外分層a圖不同粒徑的固體i粒子沉降距離b圖分層的開始c圖分層的結(jié)果粗大的顆粒沉積于下部，多余的水分被擠上升或積聚于粗集料的下方。外分層使混凝土沿著澆灌方向的結(jié)構(gòu)不均勻，其下部強(qiáng)度大于頂部。表層混凝土成為最軟弱部分。第7頁/共241頁

內(nèi)分層混凝土內(nèi)分層劃分為三個區(qū)域。區(qū)域1位于粗集料的下方，這個區(qū)域稱為充水區(qū)域，含水量最大，在其蒸發(fā)后則形成孔穴，是混凝土中最弱的部分。也是混凝土滲水的主要通道和裂縫的發(fā)源地。第8頁/共241頁內(nèi)分層區(qū)域2：正常區(qū)。區(qū)域3：密實(shí)區(qū)由于混凝土內(nèi)分層，使混凝土具有各向異性的特征。表現(xiàn)為沿著澆灌方向的抗拉強(qiáng)度較垂直該方向的為低。至于水泥石，可以近似把它看作勻質(zhì)熱各向同性的材料。但由于水泥漿中水泥粒子的沉降，也會引起水泥石上下部位密實(shí)度的差異。第9頁/共241頁三、硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)及凝結(jié)硬化1、硅酸鹽水泥的礦物組成2、各種熟料礦物的水化及單獨(dú)與水作用時表現(xiàn)出的特征3、水泥的水化反應(yīng)3、水泥的凝結(jié)硬化第10頁/共241頁硅酸三鈣3CaO·SiO2

簡寫為C3S含量37%60%硅酸二鈣

2CaO·SiO2

簡寫為C2S含量15%37%鋁酸三鈣

3CaO·Al2O3簡寫為C3A含量7%15%鐵鋁酸四鈣

4CaO.Al2O3.Fe2O3

簡寫為C4AF

含量10%18%（一）硅酸鹽水泥的礦物組成第11頁/共241頁（二）熟料礦物水化1、硅酸三鈣水化3CaO.SiO2)+nH2OxCaO2SiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2式中：x=CaO/SiO2或X=C/S——鈣硅比研究表明：在不同濃度的氫氧化鈣溶液中，水化硅酸鈣的組成是不同的。當(dāng)氫氧化鈣濃度約為1-2mol/L時，生成C/S小于1的固相（由水化硅酸一鈣和硅酸凝膠組成）；如氫氧化鈣濃度更低，則水化硅酸一鈣就會分解成氫氧化鈣與硅酸凝膠；當(dāng)氫氧化鈣濃度約為2-20mol/L時，生成C/S為0.8-1.5的水化硅酸鈣固相。這一類水化硅酸鈣統(tǒng)稱為C-S-H（Ⅰ）或CSH(B).第12頁/共241頁

當(dāng)溶液中氫氧化鈣濃度飽和

時（即CaO≥1.12g/L)，生成堿性更高(C/S為>1.5)的水化硅酸鈣固相。這一類水化硅酸鈣統(tǒng)稱為C-S-H（Ⅱ）或C2SH2.硅酸三鈣的水化產(chǎn)物的組成不是固定的，和水固比、溫度、有無異離子參與等水化條件都有關(guān)。在常溫下，水固比減小，將使水化硅酸鈣的C/S提高。（圖1）水化硅酸鈣的組成隨水化反應(yīng)的進(jìn)程而改變，其C/S隨齡期的增長而下降。水化硅酸鈣統(tǒng)稱為C-S-H凝膠或C-S-H。一般所測得的C/S比平均值通常變動于1.5-1.7之間。第13頁/共241頁

圖1水化硅酸鈣與溶液間的平衡圖2水固比對C-S-H的影響第14頁/共241頁C3S的水化進(jìn)程C3S的水化進(jìn)程分5個階段(圖3）Ⅰ：初始水化期加水后立即發(fā)生急劇反應(yīng)，15min內(nèi)結(jié)束。Ⅱ：誘導(dǎo)期反應(yīng)緩慢，一般持續(xù)2-4h。相當(dāng)于初凝結(jié)束時間。Ⅲ：加速期。反應(yīng)重新加快，本階段（4-8h)。此時終凝結(jié)束。Ⅳ：衰退期，反應(yīng)速率隨時間下降，約持續(xù)12-24h，水化作用逐漸受擴(kuò)散速率的控制.Ⅴ:穩(wěn)定期，反應(yīng)速率很低，基本穩(wěn)定的階段。水化作用完全擴(kuò)散速率的控制。第15頁/共241頁

圖3C3S的水化放熱速率第16頁/共241頁C3S的水化各階段示意圖第17頁/共241頁表1

C3S

反應(yīng)諸階段的化學(xué)過程和動力學(xué)行為

第18頁/共241頁C3S的水化動力學(xué)過程受制約的因素晶體生長與成核C3S與液相間的化學(xué)反應(yīng)通過水化物層的擴(kuò)散第19頁/共241頁2、硅酸二鈣水化略第20頁/共241頁2、各種熟料礦物單獨(dú)與水作用時表現(xiàn)出的特征第21頁/共241頁2、各種熟料礦物單獨(dú)與水作用時表現(xiàn)出的特征各種熟料礦物的強(qiáng)度增長圖第22頁/共241頁2（3CaO.SiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)22（2CaO.SiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)23CaO.Al2O3+10H2O=3CaOAl2O36H2O3CaO.Al2O3+Ca(OH)2+12H2O=4CaOAl2O313H2O3CaOAl2O3+10H2O+CaSO42H2O=

3CaOAl2O3CaSO412H2O4CaO.Al2O3.Fe2O3+7H2O==3CaOAl2O3

6H2O+CaOFe2O3H2O

3CaOAl2O313H2O+3(CaSO42H2O)+14H2O==

3CaOAl2O33CaSO432H2O+Ca(OH)2

3、水泥的水化反應(yīng)及水化產(chǎn)物第23頁/共241頁膠體晶體水化硅酸鈣凝膠，呈纖維狀，稱托貝莫萊石凝膠，約占總體積的50%；

水化鐵酸鈣或或水化鐵鋁酸鈣Ca(OH)2六方片狀晶體，約占總體積的25%；

水化鋁酸鈣：六方板狀晶體高硫型3CaOAl2O332CaSO432H2O

（鈣釩石）為針狀或桿狀晶體低硫型3CaOAl2O3CaSO412H2O

3、硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物第24頁/共241頁C3S水化生成的水化硅酸鈣第25頁/共241頁C2S水化生成的水化硅酸鈣第26頁/共241頁水泥水化生成的Ca(OH)2晶粒第27頁/共241頁鈣釩石第28頁/共241頁硅酸鹽水泥的水化過程分為四個階段：初始反應(yīng)期休止期凝結(jié)期硬化期三、硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化第29頁/共241頁初始反應(yīng)期：水泥與水混合約5分鐘自由，主要是C3S水化，釋放出Ca(OH)2,PH值達(dá)到13.表面的鋁酸鹽礦物迅速與石膏反應(yīng)，析出鈣釩石。約1%的水泥水化。大部分水化產(chǎn)物包裹在水泥粒子表面，形成薄膜包裹層。休止期：約30分鐘到2小時，發(fā)熱速度小，水化反應(yīng)緩慢，水泥漿的可塑性基本保持不變。水泥粒子保持其原來的形狀，形成絮凝結(jié)構(gòu)。三、硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化第30頁/共241頁凝結(jié)期：休止期終了，由于滲透壓的作用，使水泥粒子的薄膜包裹層破裂，水泥粒子繼續(xù)水化，發(fā)熱速度又開始增大，約在水泥與水混合后的6-8小時，發(fā)熱速度增加到最大值，然后緩慢下降。有兩個占優(yōu)勢的反應(yīng)：（1）C3A和石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣；（2）硅酸二鈣（阿里特）水化生成水化硅酸鈣凝膠和Ca(OH)2。在這一階段約有15%的水泥水化，由于水化硅酸鈣凝膠在水泥粒子間相互連鎖著，因而產(chǎn)生水泥的凝結(jié)現(xiàn)象。三、硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化第31頁/共241頁硬化期:放熱速度緩慢下降，水泥水化24小時后，發(fā)熱速度已降低到1卡/克.小時以下。引起發(fā)熱速度降低的原因有二：（1）由于較小的水泥粒子已完全水化較大的粒子因水化而變小，使未水化的水泥粒子表面積減??；（2）在水泥粒子表面生成生成水化硅酸鈣凝膠，不斷地填充于原來的水泥漿絮凝結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管通道中。毛細(xì)管通道就逐漸被堵塞，而形成不聯(lián)通的毛細(xì)管孔腔。水泥硬化可以持續(xù)相對長的一段時間。水泥水化9個月的水化深度為5-9.一般情況下，粒徑大于10微米的水泥粒子約占水泥重的50%，水泥的最大粒徑可達(dá)100微米。三、硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化第32頁/共241頁硅酸鹽水泥水化過程示意圖第33頁/共241頁水灰比與堵塞毛細(xì)管通道

所要求的水泥水化程度的關(guān)系第34頁/共241頁堵塞毛細(xì)管通道需要的大致養(yǎng)護(hù)時間第35頁/共241頁水泥石亞微觀結(jié)構(gòu)示意圖

凝膠孔的孔隙率與水灰比和水化進(jìn)展無關(guān)。黑點(diǎn)—凝膠粒子；c-毛細(xì)孔，1.3微米第36頁/共241頁膠空比與水泥石強(qiáng)度關(guān)系膠空比：水泥凝膠的體積對水泥凝膠和毛細(xì)管腔兩者體積之和的比值。水泥抗壓強(qiáng)度與膠空比之間的關(guān)系服從下面經(jīng)驗(yàn)公式：水泥抗壓強(qiáng)度f=Axn式中

x—膠空比n—常數(shù)，取決于水泥的特性，在2.5-3.0之間。A—代表水泥的固有強(qiáng)度在2000-3000Kg/cm2第37頁/共241頁膠空比與水灰比的關(guān)系假定1cm3絕對體積的水泥，生成2.06cm3體積的水泥凝膠。設(shè)：

c=水泥質(zhì)量

vc=水泥比容

w0=混合水的體積

=已水化水泥的份數(shù)則水泥凝膠的體積=2.06cvc，可用于水泥凝膠填充的空間總體積=cvc+w0因此膠空比為：第38頁/共241頁膠空比與水灰比的關(guān)系如vc=0.319cm3/g,則:如有acm3體積的空氣存在，則在式中w0/c用（w0+

a）/c代替即可。由于x變動在0-1之間，根據(jù)上式水泥石的強(qiáng)度不能超過A。但是在x

=1的情況下，水泥石的強(qiáng)度卻隨著水泥含量的增加而增大。這時，在水泥石中甚至還存在著未水化的的水泥。這可能是由于在未水化水泥粒子表面包裹的水泥凝膠層較薄的緣故。第39頁/共241頁四、水泥石的亞微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度水泥石的組成

。水泥凝膠水化硅酸鈣凝膠Ca(OH)2晶體,1μm毛細(xì)管腔未水化的水泥核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)28%凝膠孔15-30埃,具有滲透性，滲透系數(shù)為10-14cm/s占水泥凝膠的1/6-1/51cm3絕對體積的水泥生成2cm3多的水泥凝膠第40頁/共241頁四、水泥石的亞微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度（1）水泥水化物的凝膠相1）水化硅酸鈣的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)C-S-H凝膠的化學(xué)組成是不固定的；C/S和水硅比在較大范圍內(nèi)變動，還存在Al3+

、Fe3+、SO-4等離子。C-S-H有很大的比表面積，因?yàn)槟z中有大量的孔存在；

C-S-H結(jié)晶程度極差。1、水化物的組成與結(jié)構(gòu)第41頁/共241頁2）C-S-H凝膠的硅酸根聚合度是由不同聚合度的硅酸根與鈣離子組成的水化物；單聚物占22%-30%，三聚物和四聚物很少，其他多聚物達(dá)44%-51%。1、水化物的組成與結(jié)構(gòu)第42頁/共241頁3）

C-S-H凝膠的形貌（P90圖2-2-7-5、6、7、8）

Ⅰ型C-S-H：為纖維狀粒子

Ⅱ型C-S-H：呈網(wǎng)絡(luò)狀粒子

Ⅲ型C-S-H：等大粒子

Ⅳ型C-S-H：外觀呈皺紋狀1、水化物的組成與結(jié)構(gòu)第43頁/共241頁(2)水泥水化物的結(jié)晶相及其結(jié)構(gòu)1）氫氧化鈣

具有固定的化學(xué)組成，純度較高，屬三方晶系。其晶體構(gòu)造屬于層狀。其層狀構(gòu)造為彼此連接的八面體，結(jié)構(gòu)層內(nèi)為離子鍵。為片狀形態(tài)。（見圖2-2-7-9）1、水化物的組成與結(jié)構(gòu)第44頁/共241頁圖2-2-7-9氫氧化鈣晶體第45頁/共241頁2）鈣釩石屬三方晶系，為柱狀結(jié)構(gòu)。見圖2-2-7-12.3）單硫鹽（AFm相)屬三方晶系，呈層狀結(jié)構(gòu)，為六方板狀結(jié)構(gòu)。見圖2-2-7-131、水化物的組成與結(jié)構(gòu)第46頁/共241頁2、水泥石的孔結(jié)構(gòu)（1）水泥石孔的分類與作用（2）孔級配（3）水泥石的內(nèi)比表面積（4）水泥石孔分布測定(5)影響水泥石孔分布的因素第47頁/共241頁（1）水泥石孔的分類與作用水泥石孔的特點(diǎn)

分布范圍廣：0.005μm~10μm存在形式：

A.水泥水化物占有的空間中。

B.C-S-H凝膠粒子內(nèi)部。凝膠孔尺寸細(xì)小，用掃描電鏡也難也分辨。第48頁/共241頁（1）水泥石孔的分類與作用水泥石孔分類鮑維斯等人觀點(diǎn)：凝膠粒子的直徑約為100×10-10m左右，

其中28%的膠孔，孔尺寸(15~30)×10-10m。弗爾德曼觀點(diǎn)：存在層間孔，水力半徑在(0.95~2.78)×10-10m之間。第49頁/共241頁（1）水泥石孔的分類與作用[日]近藤連一、大門正機(jī)觀點(diǎn)：提出了C-S-H凝膠孔結(jié)構(gòu)模型：1231-凝膠顆粒；2-窄通道；3-膠粒間孔；4-窄通道、5、微晶間孔；6-單層水；7-微晶內(nèi)孔7654第50頁/共241頁（1）水泥石孔的分類與作用IO.M.布特等人對水泥石孔徑的分類：凝膠孔【<100×10-10m】過渡孔【(102~103)×10-10m】毛細(xì)孔【(103~104)×10-10m】大孔【>104×10-10m】第51頁/共241頁Jawed對水泥石孔徑的分類孔分類尺寸測定方法來源作用大孔>5×104×10-10m光學(xué)顯微鏡氣泡，未充分凝結(jié)硬化，不正確的養(yǎng)護(hù)，水灰比過大。影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度毛細(xì)孔大孔Macropores>500×10-10m壓汞法水泥漿體中水填充的孔隙控制滲透性及耐久性間隙孔Mesopores(26~500)×10-10m壓汞法氣體吸附法漿體中水填充的孔隙，較小的孔與CSH凝膠有關(guān)干燥時可產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力微孔Micropores<26×10-10m氣體吸附法與CSH凝膠有關(guān)在干濕循環(huán)過程中可能分解第52頁/共241頁P(yáng).K.Metha實(shí)驗(yàn)結(jié)果小于1320×10-10m的孔對混凝土的強(qiáng)度和滲透性沒有什么影響，將孔分為四級：小于45×10-10m(45~500)×10-10m(500~1000)×10-100m大于1000×10-10m第53頁/共241頁（2）孔級配研究結(jié)果：美國加州大學(xué)伯克利分校教授P.K.Metha提出：

增加1320×10ˉ1om以下的孔不會降低混凝土的滲透性Metha又發(fā)表文章介紹火山灰材料對孔級配改善的作用：第54頁/共241頁圖解釋水泥漿體養(yǎng)護(hù)28天，以火山灰摻量10%的強(qiáng)度最高，大于1000×10ˉ1om的孔最少。一年后，以火山灰摻量20%的強(qiáng)度最高，此時無大于1000×10ˉ1om的孔，而小于500×10ˉ1om的孔最多，一年后火山灰摻20%和30%時，都無大于1000×10ˉ1om的孔，因此抗?jié)B性最好。此圖還說明：隨齡期的增長而大孔減小，小孔增多。而摻入火山灰后，隨齡期的增長，新生水化物填充孔隙，不僅使總孔隙率降低，而且大孔也減少。第55頁/共241頁研究結(jié)果1977年以色列科學(xué)家Q.Z.Cebeci曾經(jīng)提出區(qū)分球形孔和管型孔的級配。它假設(shè)混凝土中存在兩種孔，均勻孔徑的管型孔和墨水瓶狀孔。清華大學(xué)研究生李慶華測試了水泥漿體試件受力至破壞后孔級配的變化，同時采用了Cebeci的方法區(qū)分孔形狀的變化。分析各級不同形狀孔參與破壞的情況，按其強(qiáng)度的影響，將過渡孔分成小于200×10ˉ1om、（200~500）×10ˉ1om、大于500×10ˉ1om三級：第56頁/共241頁研究結(jié)果當(dāng)值孔徑在1000×10ˉ1om左右時，大于500×10ˉ1om的孔對硅酸鹽水泥漿體的強(qiáng)度起主要支配作用；當(dāng)值孔徑下降到500×10ˉ1om時，硅酸鹽水泥漿體的強(qiáng)度主要受小于200×10ˉ1om的管型孔的控制，原因是小于200×10ˉ1om的孔以管型為主；（200~500）×10ˉ1om孔以球型為主。加入外加劑可改變（100~200）×10ˉ1om孔的孔隙率和孔形狀第57頁/共241頁研究結(jié)果當(dāng)值孔徑在1000×10ˉ1om左右時，大于500×10ˉ1om的孔對硅酸鹽水泥漿體的強(qiáng)度起主要支配作用；當(dāng)值孔徑下降到500×10ˉ1om時，硅酸鹽水泥漿體的強(qiáng)度主要受小于200×10ˉ1om的管型孔的控制，原因是小于200×10ˉ1om的孔以管型為主；（200~500）×10ˉ1om孔以球型為主。加入外加劑可改變（100~200）×10ˉ1om孔的孔隙率和孔形狀。第58頁/共241頁（3）水泥石的內(nèi)比表面積水泥石內(nèi)部固相表面的性質(zhì)以及其比表面積的大小對水泥石的物理力學(xué)性質(zhì)如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性，特別是它與周圍介質(zhì)的相互作用和吸附性能等有重大影響。泥石的內(nèi)比表面積測定方法-氣體吸附法常用的氣體是水蒸氣和氮?dú)?。用水蒸氣進(jìn)行測定時，將經(jīng)過一定方法干燥過的樣品在不同蒸氣壓下，測定對蒸氣平衡時的吸附量。在根據(jù)BET公式計算出在固相表面上形成單分子吸附層所需的水蒸氣量。第59頁/共241頁(3)水泥石的內(nèi)比表面積硬化水泥漿體比表面積按下式計算：S—比表面積，cm2/g；

a—每1個吸附氣體分子的覆蓋面積，cm2， 水蒸氣：a=1.44×10-10m2（25℃） 氮?dú)猓篴=16.2×10-10m2（-195.8℃）；

N—阿佛加德羅常數(shù)（6.02×1023）；M—被吸附氣體的分子數(shù)；Vm—在每克被測固體表面形成單分子吸附層 所需氣體量，g。第60頁/共241頁(3)水泥石的內(nèi)比表面積

用此法測得的硬化水泥漿體的比表面積約為210m2/g，與未水化的水泥相比，提高達(dá)三個數(shù)量級。如此巨大的比表面積所具有的表面效應(yīng)，必然是決定漿體性能的一個重要因素。水泥礦物組成的不同比例對其比表面積略有影響，如表2-2-7-3所示。第61頁/共241頁用水蒸氣吸附法測得的水化水泥的比表面積

表2-2-7-3編號水泥的計算組成（%）硬化水泥的表面積（m2/g）C3SC2SC3AC4AFSCSgA45.048.528.360.627.727.957.511.613.44.62.210.36.712.96.07.8219200227193267253265249BCD平均1000

01000000210210279258293199EF第62頁/共241頁(3)水泥石的內(nèi)比表面積表中Sc表示按硬化水泥漿整體所測得的比表面積，其中包括一定數(shù)量的Ca(OH)2、AFt或AFm、C3AH13等結(jié)晶組，但它們的尺寸相對于C-S-H凝膠來說都較大，因此在SC中所占的比例就很小。而Sg則為C-S-H凝膠的比表面積,故比SC要大。純C3S水化后的SC小于β-C2S的，也是由于產(chǎn)物中Ca(OH)2含量較多的緣故。如只計算C-S-H凝膠的比表面積，則都接近300m2/g，兩者基本一致。第63頁/共241頁(4)水泥石孔分布測定目前常用于測定水泥石孔結(jié)構(gòu)的方法：1）汞壓力法2）等溫吸附法3）X射線小角度散射法等第64頁/共241頁汞壓力法主要根據(jù)壓入孔系統(tǒng)中的水銀數(shù)量與所加壓力之間的函數(shù)關(guān)系，計算空的直徑和不同大小孔的體積。第65頁/共241頁汞壓力法高壓測孔法所得水中養(yǎng)護(hù)11年的三種水灰比的水泥漿體孔級配曲線第66頁/共241頁等溫吸附法氣體吸附在固體表面，隨著相對氣壓的增加會在固體表面形成單分子層和多分子層。加上固體中的細(xì)孔產(chǎn)生毛細(xì)管凝結(jié)，可計算固體比表面積和孔徑。用不同氣體對體積進(jìn)行吸附法測孔，與水灰比的關(guān)系有差別。第67頁/共241頁小角度X射線散射法用SAXS測定材料比表面積或孔結(jié)構(gòu)，不要求對試樣進(jìn)行去氣和干燥處理，因而可測定任意濕度下試樣的孔結(jié)構(gòu)。水泥漿體最可幾孔峰約在4-5納米處，受水灰比影響不明顯。但水灰比大時，則在1-30納米范圍內(nèi)有較大的總孔隙率。SAXS適用于測30納米以下的孔。第68頁/共241頁（5）影響水泥石孔分布的因素影響水泥石孔分布的因素主要有：水化齡期水灰比水泥石的礦物組成養(yǎng)護(hù)制度外加劑等第69頁/共241頁1）水化齡期對孔分布的影響由附表2-2-7-4可知:當(dāng)水化齡期超過3個月以后-由于水化結(jié)晶度提高-凝膠孔的百分率稍有降低，毛細(xì)孔的百分率稍有增加的趨勢.第70頁/共241頁2）水灰比對水泥石孔分布的影響隨著水灰比的增大，總孔隙率增加，水灰比對總孔隙率的影響如圖2-2-7-24（右圖）。圖中測定的試樣經(jīng)18個月的正常養(yǎng)護(hù)。改變W∕C，除改變總孔隙率以外，對孔級配也有影響。W∕C低時，最可幾孔徑小，最大孔徑也小。第71頁/共241頁3）水泥礦物組成對水泥石

孔分布的影響由表2-2-7-7的結(jié)果可以看出：對于硬化28天的漿體的總孔隙率及毛細(xì)孔的百分率按下述順序增加：硅酸三鈣＜鐵鋁酸四鈣＜硅酸二鈣＜鋁酸三鈣，而凝膠孔則按上述順序減少?？追植嫉倪@一特征與他們28天強(qiáng)度值的順序也是一致的。第72頁/共241頁4）摻外加劑對水泥石孔分布的影響水泥砂漿中加入減水劑可以提高其流動性，降低水灰比，從而提高強(qiáng)度。加入減水劑后，可使總孔隙率減少，同時可使孔分布中最可幾孔徑的尺寸減少。第73頁/共241頁5）養(yǎng)護(hù)條件對水泥石孔分布的影響第74頁/共241頁養(yǎng)護(hù)條件對水泥石孔分布的影響圖中為兩種養(yǎng)護(hù)制度：一種低溫成型并養(yǎng)護(hù)6h,升溫至43度，恒溫10h再降至室溫；另一種是常溫成型后立即降溫為5℃，養(yǎng)護(hù)6h后再與第一種相同的制度繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。說明，常溫下成型后比低溫下成型水化速度快，立即降溫后使初始水化物成核，起到晶種作用，從而使初始水化物分布情況發(fā)生變化，水化物優(yōu)先填充管形孔。第75頁/共241頁3、水泥石中的水及其形態(tài)(1)分類根據(jù)水與固相組份的相互作用以及水從水化水泥漿體中失去的難易程度，可將水泥石中的水分分為結(jié)晶水、吸附水以及自由水。1）結(jié)晶水結(jié)晶水又稱為化學(xué)結(jié)合水，根據(jù)其結(jié)合力的強(qiáng)弱，又分為強(qiáng)結(jié)晶水和弱結(jié)晶水兩種。強(qiáng)結(jié)晶水以O(shè)H-離子存在，占有晶格上的固定位置，和其他元素有確定的含量比，結(jié)合力強(qiáng)。弱結(jié)晶水是以水分子H2O形式存在的水，在晶格中占據(jù)固定位置，由氫鍵和晶格質(zhì)點(diǎn)的剩余鍵相結(jié)合，結(jié)合力弱。第76頁/共241頁2）吸附水

以中性水分子的形式存在，吸附于固相粒子表面或空隙之中。故可按其所處的位置分為凝膠水和毛細(xì)孔水兩種。凝膠水受凝膠表面強(qiáng)烈吸附而高度定向。結(jié)合強(qiáng)弱有相當(dāng)差別，脫水溫度有較大的范圍。凝膠水的數(shù)量大體上正比于凝膠體的數(shù)量。毛細(xì)孔水僅受到毛細(xì)管力的作用，結(jié)合力較弱，脫水溫度較低，在數(shù)量上取決于毛細(xì)孔的數(shù)量。第77頁/共241頁3）自由水

又稱游離水，存在于粗大空隙內(nèi)，和一般水的性質(zhì)相同。除了上述三種基本類型以外，還有層間水和沸石水，它們的性質(zhì)介于結(jié)晶水和吸附水之間。水泥石中水的形態(tài)復(fù)雜，很難定量加以區(qū)分。因此T.C鮑威斯從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，把水泥中的水分為了蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水。第78頁/共241頁T.C鮑威斯觀點(diǎn)蒸發(fā)水定義：凡是在P干燥或D干燥條件下可以蒸發(fā)的水叫蒸發(fā)水。蒸發(fā)水包括吸附水和一部分弱結(jié)晶水。蒸發(fā)水的體積可概略地作為漿體內(nèi)空隙體積的量度；含量越大，則在一定干燥條件下出現(xiàn)毛細(xì)孔隙就越多。第79頁/共241頁T.C鮑威斯觀點(diǎn)非蒸發(fā)水定義：在P干燥或D干燥條件下不能蒸發(fā)的水就叫非蒸發(fā)水。非蒸發(fā)水包括結(jié)合水和一部分強(qiáng)結(jié)晶水。非蒸發(fā)水量與水化產(chǎn)物的數(shù)量多少存在著一定的比例關(guān)系，由于一定的水泥在完全水化后，有一個確定的非蒸發(fā)水量，因此在不同齡期實(shí)測的非蒸發(fā)水量可以作為水泥水化程度的一個表征值。水泥水化物中不可蒸發(fā)的水分子數(shù)見下表：第80頁/共241頁水泥水化物中不可蒸發(fā)的水分子數(shù)水化產(chǎn)物可蒸發(fā)的水分子數(shù)不可蒸發(fā)的水分子數(shù)Ca(OH)2H2O3CaO.2SiO2.3H2O0.2H2O2.8H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O22H2O9H2O4CaO.Fe2O3.19H2O6H2O13H2O4CaO.Al2O3.19H2O6H2O13H2O3CaO.Al2O3.6H2O06H2O第81頁/共241頁T.C鮑威斯觀點(diǎn)水泥石中非蒸發(fā)水的含量，不僅與水化產(chǎn)物的含量有關(guān)，而且與水化物的類型有關(guān)，而水化物的類型又主要與水泥熱料礦物組成有關(guān)，T.C.鮑威斯根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為可用下式表明硅酸鹽水泥硬化漿體中不可蒸發(fā)水的含量與熟料礦物水化部分的數(shù)量。第82頁/共241頁T.C鮑威斯觀點(diǎn)Wn/C=0.187(C3S)+0.158(C2S)+0.665(C3A)+0.213(C4AF）式中：C——水泥用量C3S、CS、CA、CAF——相應(yīng)為熟料中的計算礦物組成。上述關(guān)系式對于水灰比不低于0.44，水泥比表面積約為1700-2000cm2/g以及水化程度不太充分的水泥硬化漿體來說是近似準(zhǔn)確的。另外，蒸發(fā)水與非蒸發(fā)水的數(shù)量相當(dāng)程度上受到干燥方法的影響。各種干燥方法的效果見下表：第83頁/共241頁(2)用非蒸發(fā)水的含量表征水化程度對于一定的水泥來說，它完全水化后，有一個確定的不可蒸發(fā)水的含量，而對不同水化程度的水泥也有與之相應(yīng)的非蒸發(fā)水的含量可以作為水泥水化程度的一個表征值。美國硅酸鹽水泥協(xié)會研究與發(fā)展實(shí)驗(yàn)室T.C鮑維斯曾用不同水灰比制備水泥漿試體，放在飽和的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)，直到完全水化為止。接著測定了各種試體的可蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水的含量，其結(jié)果如圖2-2-7-27。第84頁/共241頁(2)用非蒸發(fā)水的含量表征水化程度第85頁/共241頁(2)用非蒸發(fā)水的含量表征水化程度對于圖2-2-7-27中的水泥，有下列關(guān)系式成立：

Wt/C=Wo/C+0.058mWe/C=Wt/C-0.227mWe/Wt=1-0.227mWt/C第86頁/共241頁(2)用非蒸發(fā)水的含量表征水化程度圖2-2-7-27中，橫坐標(biāo)為試體總含量Wt/C，即蒸發(fā)水與非蒸發(fā)水的總量，縱坐標(biāo)為可蒸發(fā)水的含水量We/C。圖中可見:當(dāng)Wt/C超過0.437時，所有測得數(shù)據(jù)都在一條直線AB上。若求出完全水化的試樣的總含水量Wt/C，并減去可蒸發(fā)水的We/C的數(shù)值?？梢缘玫揭粋€差值。這個差值在直線AB所有各點(diǎn)上都等于0.227，這個數(shù)值就是非蒸發(fā)水Wn/C可能的最大數(shù)值。這就是試驗(yàn)用水泥已經(jīng)完全水化使得非蒸發(fā)水含量.第87頁/共241頁(2)用非蒸發(fā)水的含量表征水化程度當(dāng)Wt/C<0.437時，即使在潮濕條件下,水泥也只有一部分能水化,wt/c越低,不能水化的水泥越多.圖中在完全水化和未水化的兩個極值之間,還標(biāo)有不同水化程度的直線.因此,在OB線上的每一個點(diǎn)都可以相應(yīng)的讀出一個最可能的水化程度.根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)已知水灰比W0/C,并測定了不可蒸發(fā)水的含量時,就可以求出水泥的水化程度.第88頁/共241頁(4)水泥石中水的轉(zhuǎn)移與相變水泥石中水的轉(zhuǎn)移與溫度和濕度有關(guān)。當(dāng)處于水飽和狀態(tài)的水泥石置于濕度為100%的環(huán)境中，然后環(huán)境濕度逐漸降低，毛細(xì)孔水開始蒸發(fā)。當(dāng)濕度從100%降到30%時，毛細(xì)管水與濕度正正比地減少并開始伴隨凝膠水的轉(zhuǎn)移。當(dāng)濕度從30%進(jìn)一步降低至1%時，水泥石中的凝膠水大量向毛細(xì)孔中轉(zhuǎn)移并向外蒸發(fā)，此時水泥石收縮明顯。水泥石中的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水只有當(dāng)溫度顯著降低時才能失去。不同形態(tài)的水的失去與溫度和濕度的關(guān)系見表2-2-7-10.（P104）第89頁/共241頁水泥石的相變水泥石中的水與固相相互作用力不同，其相變溫度相差很大。塞茨等人將相變溫度分為四類，見表2-2-7-41.（P105）第90頁/共241頁五、水泥石的工程性質(zhì)（一）強(qiáng)度1、強(qiáng)度理論.脆性材料斷裂理論該理論認(rèn)為：水泥石的強(qiáng)度主要取決于水泥石的彈性模量、表面能以及裂縫大小，其抗斷裂的能力可用葛里菲斯公式來表述：σ=(2Eγ/πC)?式中：σ—斷裂應(yīng)力E—彈性模量γ—單位面積的材料表面能 C—裂縫長度第91頁/共241頁結(jié)晶理論該理論認(rèn)為：硬化水泥漿體是由鈣釩石的針狀晶體和多種形貌的C-S-H、以及六方板狀的氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起構(gòu)成，它們密集連生交叉結(jié)合、接觸，形成牢固的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)。水泥石的強(qiáng)度主要決定于結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)中接觸點(diǎn)的強(qiáng)度與數(shù)量。A.Φ巴拉克曾提出下列方程：

f=-fF式中：f—水泥石多孔體的強(qiáng)度-f—結(jié)晶接觸點(diǎn)的強(qiáng)度F—斷裂面上結(jié)晶接觸點(diǎn)的面積1、水泥石的強(qiáng)度理論第92頁/共241頁孔隙率理論

試驗(yàn)表明：水泥石的強(qiáng)度發(fā)展決定于孔隙率，或者說決定于水化生成物充滿原始充水空間的程度。T.C鮑威斯建立的水泥石強(qiáng)度與膠空比的關(guān)系如下：f=AXAn式中：f—水泥石抗壓強(qiáng)度A、n—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與水泥石熟料礦物組成有關(guān)XA—水化水泥在水泥石體積中填充的程度。它介于0~1之間。

1、水泥石的強(qiáng)度理論第93頁/共241頁

XA=凝膠體的體積/凝膠體體積+毛細(xì)孔體積根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，水泥漿體的強(qiáng)度S與膠空比X有如下關(guān)系：

S=S0Xn式中：S0—毛細(xì)孔隙率為零（即X=1）時的漿體強(qiáng)度n—實(shí)驗(yàn)常數(shù)，與水泥種類及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，波動于2.6~3.0之間。水泥石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，一般抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10~1/7。1、水泥石的強(qiáng)度理論第94頁/共241頁近年來不少學(xué)者相繼提出以下強(qiáng)度與水泥石孔隙率的半經(jīng)驗(yàn)公式：σ=σ0(1-P)Bσ=σ0exp(-CP)σ=D.ln(P0/P)σ=σ0(1-E.P)式中：σ—水泥石抗壓強(qiáng)度σ0—水泥石假想能達(dá)到的最大抗壓強(qiáng)

P—孔隙率P0—最大孔隙率，即孔隙率為P0時，強(qiáng)度值為0B,C,D,E均為常數(shù)。水泥石的強(qiáng)度理論第95頁/共241頁水泥凝膠產(chǎn)生強(qiáng)度的原因水泥凝膠產(chǎn)生強(qiáng)度的原因，目前尚未搞清。它可能是由于存在兩種類型的內(nèi)聚結(jié)合。第一種類型：固體表面間的物理吸引。水泥凝膠的比表面積約20萬m2/kg,

膠粒間距很小，約15-30埃。通常把這種現(xiàn)象歸于范德華力。第二種類型為化學(xué)鍵。這種結(jié)合較范德華力強(qiáng)的多。但化學(xué)鍵僅在膠粒的一小部分界面上發(fā)生。但是，象水泥凝膠這樣大的比表面積，并不是產(chǎn)生高強(qiáng)的必要條件。例如，蒸壓養(yǎng)護(hù)的水泥石的比表面積不大，約僅7000m2/kg,卻具有很高的強(qiáng)度。這樣，我們就不能對物理和化學(xué)的兩種結(jié)合分出主次，但是兩者對水泥石的強(qiáng)度起著相當(dāng)大的作用，這是無疑的。第96頁/共241頁水泥凝膠產(chǎn)生強(qiáng)度的原因水化硅酸鈣可能的結(jié)構(gòu)形式見圖：水化硅酸鈣具有類似天然粘土礦物蒙脫石的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)。由膠粒的表面力保持的水分，稱為吸附水。其中一部分保持在晶粒的一點(diǎn)層間，稱為層間水或沸石型水。第97頁/共241頁2、影響水泥石強(qiáng)度的因素水泥礦物組成及含量水灰比和水化程度孔結(jié)構(gòu)第98頁/共241頁（1）水泥礦物組成及含量水泥礦物組成不同其水泥的水化速度，水化產(chǎn)物本身的強(qiáng)度，形態(tài)與尺寸以及彼此構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時各種鍵的比例均不相同。水泥礦物組成中，硅酸鹽礦物的含量是決定水泥強(qiáng)度的主要因素，28天強(qiáng)度基本上依賴C3S含量。圖2-2-8-2（P107）表示C3S和C2S的含量對強(qiáng)度發(fā)展的影響。第99頁/共241頁（2）水灰比和水化程度在熟料礦物組成大致相近的條件下，水泥漿體的強(qiáng)度主要與水灰比和水化程度有關(guān)。隨著水化程度的提高，凝膠體積不斷增加，毛細(xì)孔隙率相應(yīng)減少。從表2-2-8-1可明顯看出，毛細(xì)孔等相應(yīng)體積隨水化程度的變化以及水灰比所產(chǎn)生的影響。（P108）第100頁/共241頁（3）孔結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影響捷克的J.Jamber觀點(diǎn)：

不同的水化產(chǎn)物盡管孔隙率相同，但強(qiáng)度不同，而且相差很大。這是由水化物孔分布不同所致。

平均孔半徑（×10-10m）抗壓強(qiáng)度（MPa））平均孔半徑（×10-10m）抗壓強(qiáng)度（MPa）100>140.01000<10.025040.0左右5000~10000<5.0第101頁/共241頁Samber建立數(shù)學(xué)模型假設(shè)在水泥硬化過程中，水泥石內(nèi)無微?？p以及次生孔縫，則每一狀態(tài)下硬化水泥石孔隙率：P——總孔隙率ΔVHP——水化產(chǎn)物體積與混合料中未水化水泥所占體積之差，即ΔVHP=Vhp-Vhc，這一差值對應(yīng)于水化過程中單位混合料中固相水化體積的增加。P0——“理論”初始水化孔隙率。

P0=Vw+VvVw——拌合水體積之和。Vv——混合料振搗后單位含氣體體積。P=P0-ΔVHP第102頁/共241頁孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系（考慮孔結(jié)構(gòu)的主要因素）：P——試驗(yàn)時樣品總孔隙率。P0——初始孔隙率。K——系數(shù)，其值取決于水泥品種、活性、養(yǎng)護(hù)條件、水泥單位用量以及試樣種類（尺寸）第103頁/共241頁Jambor認(rèn)為：（1）孔徑隨總孔隙率降低而減小，平均孔徑取決于水化產(chǎn)物種類及體積，進(jìn)而平均孔徑可以明顯地表征水泥石“成熟”度及復(fù)合材料孔結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；（2）相同孔隙率時，強(qiáng)度隨孔徑的增大而降低；（3）水泥石中對強(qiáng)度最不利的影響產(chǎn)生于“工藝”孔，尤其是大孔徑，盡管其含量很少。第104頁/共241頁

（二）變形1、彈性模量2、收縮變形第105頁/共241頁1、彈性模量水泥石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似于一直線，對于彈性體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，由虎克定律：

σ=ε·E式中：σ——應(yīng)力

ε——應(yīng)變

E——彈性模量。第106頁/共241頁1、彈性模量水泥石的應(yīng)力一應(yīng)變曲線在應(yīng)變較小時基本成線性關(guān)系，而當(dāng)應(yīng)變較大時，不再成線性關(guān)系。彈性模量一般也用來描述水泥石的剛性。Helmuth和Turk用共振法測定的水化良好的水泥石的動態(tài)彈性模量在2000-3000MPa之間。第107頁/共241頁1、彈性模量

水泥石的彈性模量與水泥石的孔隙有很大關(guān)系。Helmuth和Turk發(fā)現(xiàn)：水泥石的彈性模量E與水泥石的毛細(xì)孔（孔徑>100×10-10m)孔隙率P有如下關(guān)系:

E=E0（1-P）3

E?！赑為0時水泥石的彈性模量，

E。≈30000MPa.第108頁/共241頁2、收縮變形化學(xué)收縮失水收縮碳化收縮.徐變第109頁/共241頁化學(xué)收縮水泥在水化過程中,由于無水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗?所以水化后的固相體積比水化前要大的多,水泥完全水化后水化凝膠是水化總水泥體積的2.2倍.但對于水泥-水體系的總體積,卻是縮小的,原因是水化前后反應(yīng)物和生成物的密度不同。第110頁/共241頁化學(xué)收縮水化前的礦物成分用B表示，水用W表示，水的生成物用H表示，則水化反應(yīng)可寫成：

B+W=H體積用V表示，則VB<VH,但VB+VW>VH.水泥漿體在水化后，體積縮小。表2-2-8-3是幾種熟料礦物在水化前后體積變化的情況。第111頁/共241頁表2-2-8-3

熟料礦物在水體系中體積的變化表反應(yīng)式克分子量（g)密度（g／cm3)體系絕對體積（cm3）固相絕對體積（cm3）絕對體積的變化（%）反應(yīng)前反應(yīng)后反應(yīng)前反應(yīng)后體系固相2C3S+6H2O=C3S2H3+3Ca(OH)2456.6108.1342.5222.33.151.002.712.23253.1226.1145.0226.1-10.6755.392C3S+4H2O=C3S2H3+3Ca(OH)2344.672.1342.574.13.261.002.712.23177.8159.6105.7159.6-10.250.99C3A+3CaSO4’2H2O+26H2O=C3A’3CaSO4’32H2O270.18516.51450.401237.093.042.321.001.79761.91691.11311.51691.11-9.29121.86C3A+6H2O=C3AH6270.18108.10378.283.041.002.52196.98150.1188.88150.11-23.7968.89第112頁/共241頁化學(xué)收縮根據(jù)單礦物的縮減作用研究表明，水泥熟料中各單礦物的縮減作用，無論就絕對數(shù)值或其相對速度而言，其大小都按下列順序排列：

C3A>C4AF>C3S>C2S水泥縮減作用產(chǎn)生的孔隙,影響水泥石的抗凍性和抗水性及耐久性。第113頁/共241頁失水收縮水泥石在濕潤時要發(fā)生輕微的膨脹,在干燥失去水分時要產(chǎn)生收縮,對于水化程度很好的水泥石,在干燥失去水分時收縮量可達(dá)2%以上,水泥石在第一次干燥時的收縮量大部分是不可恢復(fù)的,進(jìn)一步的干濕循環(huán)會使不可恢復(fù)的收縮量有所增加,但經(jīng)幾次干濕循環(huán)后,每次干燥產(chǎn)生的收縮將為可恢復(fù)的。第114頁/共241頁失水收縮漿體失水時,首先是毛細(xì)孔中的水蒸發(fā),并形成凹月面,在水分蒸發(fā)過程中,退到毛細(xì)孔中的凹月面曲率半徑減小,從而使毛細(xì)孔水在液面下所受到的張力增加.致使固相產(chǎn)生彈性壓縮變形,這是造成干縮的主要原因之一。同時,由于水泥凝膠具有巨大的比表面積,膠粒表面上由于分子排列不規(guī)整而具有較高的表面能,表面上所受到的張力極大,致使膠粒受到相當(dāng)大的壓縮應(yīng)力,吸濕時,由于分子的吸附,膠粒表面張力降低,壓縮應(yīng)力減小,體積增大,而干縮時則相反。第115頁/共241頁碳化收縮水泥石與CO2作用產(chǎn)生的收縮稱為碳化收縮。

空氣中CO2雖然很低（僅占0.035),但如果有一定的濕度,水泥石中的氫氧化鈣與CO2生成碳酸鈣與水,出現(xiàn)不可逆的碳化收縮。產(chǎn)生碳化收縮的機(jī)理,可能是由于空氣中的CO2與水泥石中的水化產(chǎn)物,特別是氫氧化鈣的不斷作用,引起水泥石結(jié)構(gòu)的解體所致。相對濕度較少時,碳化收縮減小,因此,適當(dāng)?shù)臐穸葘?dǎo)致產(chǎn)生最大的碳化收縮。第116頁/共241頁徐變在持續(xù)荷載作用下，水泥石的變形隨時間變化的規(guī)律如圖。試件是采用硅酸鹽水泥在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天的水泥石，32MPa的恒定荷載持續(xù)作用21天，然后卸掉荷載。第117頁/共241頁徐變圖中看出，加載后立即產(chǎn)生一個瞬時彈性形變，之后隨時間的增長，變形逐漸增大，這種在恒定荷載作用下依賴時間而增長的變形稱為徐變或者儒變。卸載后，立即產(chǎn)生一個瞬時彈性變形，隨后，反向變形隨時間而增長并趨于穩(wěn)定的過程，成為彈性后效。第118頁/共241頁徐變水泥石的徐變與結(jié)構(gòu)因素有關(guān)：（1）與水泥石凝聚——結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)接觸點(diǎn)的性質(zhì)有關(guān)；以分子力互相作用的接觸點(diǎn)，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生位移和偏轉(zhuǎn)，因而表現(xiàn)出較大的徐變值，因此一般說來，發(fā)達(dá)的晶體結(jié)構(gòu)有較小的徐變值。（2）與硬化水泥漿體中的晶體與凝膠的比值有關(guān)；晶膠比愈大，徐變值愈小，因?yàn)槟z在應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生緩慢的流變。第119頁/共241頁徐變（3）水泥中的水在應(yīng)力作用下，由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移也會引起水泥石的變形。Power認(rèn)為，徐變主要與凝膠水的轉(zhuǎn)移有關(guān)，如果水泥石處于飽和狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力消除后，水分可以復(fù)原，由于水分轉(zhuǎn)移引起的變形也可以復(fù)原，但水泥石處于干燥狀態(tài)，水分蒸發(fā)，則變形就不能復(fù)原，這時，徐變和干燥收縮互相聯(lián)系起來，互相促進(jìn)，加大了水泥石的變形。而Feldman等人認(rèn)為徐變主要與水化硅酸鈣的層間水的轉(zhuǎn)移有關(guān)。第120頁/共241頁（三）抗凍性與抗?jié)B性

1、抗凍性定義；抗凍性表示混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的能力，是評價嚴(yán)寒地區(qū)混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)之一.寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常接觸水的部位，當(dāng)氣溫下降至混凝土中水的冰點(diǎn)以下時，水就會結(jié)冰，體積增加約9%，當(dāng)水充滿混凝土的孔隙時，水結(jié)冰過程中由于體積的增大會對孔壁產(chǎn)生很大的壓力，使混凝土發(fā)生微小裂縫。一般夏秋浸水，冬天結(jié)冰，春天融化，反復(fù)循環(huán)，使冰凍的破壞作用不斷向深度發(fā)展。

第121頁/共241頁混凝土受凍破壞機(jī)理（1）靜水壓理論學(xué)說Powers提出的靜水壓理論學(xué)說主要由以下幾個要點(diǎn)組成：①凍結(jié)時，負(fù)溫度從混凝土構(gòu)件的四周侵入，凍結(jié)首先在混凝土四周表面上形成，并將混凝土構(gòu)件封閉起來；②由于表層水結(jié)冰，冰體積膨脹，將未凍結(jié)的水分通過毛細(xì)孔道壓人飽和度較小的內(nèi)部；第122頁/共241頁混凝土受凍破壞機(jī)理③隨著溫度不斷降低，冰體積不斷增大，繼續(xù)壓迫未凍水，未凍水被壓得無處可走，于是在毛細(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生越來越大的壓力，水泥石內(nèi)毛細(xì)孔產(chǎn)生拉應(yīng)力；④水壓力達(dá)到一定程度，水泥石內(nèi)部的拉應(yīng)力過高，高于抗拉強(qiáng)度極限時，則毛細(xì)孔會遭到破裂，混凝土中即產(chǎn)生微裂紋而受到破壞。

第123頁/共241頁混凝土受凍破壞機(jī)理（2）滲透壓理論

加拿大的C．C．Litvan于1972年提出關(guān)于混凝土受凍破壞的理論。他認(rèn)為，凡是被吸附在多孔固體表面上或包含其中的水，如果不經(jīng)過重分布就不會凍結(jié)；之所以不能固化是由于表面力的作用，阻止被吸附液體達(dá)到形成結(jié)晶所需要的排列秩序。但是這些水的蒸汽壓與已形成的冰有差別，能夠遷移到易于結(jié)冰的地方，例如較大的孔隙或外表面，并積聚在裂隙中。如果凍融循環(huán)中積聚在裂隙中的水不能歸還原位，它們將使裂隙擴(kuò)大。第124頁/共241頁抗凍性影響因素及改善措施

由于混凝土抗凍性主要取決于其孔隙度、孔結(jié)構(gòu)及孔的水飽和程度，因此提高混凝土抗凍性也主要應(yīng)從降低混凝土孔隙度改善孔結(jié)構(gòu)著手。

1）硅酸鹽水泥比摻混合材料水泥的抗凍性好，增加熟料中的硅酸三鈣含量，抗凍性可以改善。

第125頁/共241頁抗凍性影響因素及改善措施

2）水灰比對抗凍性的影響，如圖所示（P2-2-8-12），當(dāng)水灰比<0.4時，硬化漿體的抗凍性較好。當(dāng)水灰比>0.55時,抗凍性將顯著降低。

3)硬化時間越長，受凍后其膨脹值越小，因此，工程上應(yīng)防止水泥石過早受凍。

4）用摻加外加劑的手段提高混凝土的抗凍性。第126頁/共241頁抗?jié)B性定義；混凝土抵抗壓力水滲透的能力?；炷翝B透原因:

混凝土是多組分材料組成的,從微觀上看屬多孔結(jié)構(gòu)具有一定的滲水性。為了使拌和物施工方便,用水量一般都大于水泥水化所需水量,這些多余的游離水直接影響混凝土的密實(shí)性?；炷林械目紫犊煞譃榻Y(jié)構(gòu)孔隙和施工孔隙,結(jié)構(gòu)孔隙中的凝膠孔是不透水的?；炷量?jié)B透性與混凝土毛細(xì)孔數(shù)量、大小有關(guān),而毛細(xì)孔數(shù)量、大小與水灰比、水泥水化程度和養(yǎng)護(hù)條件等又有直接關(guān)系。混凝土的滲透性不是孔隙率的線性函數(shù),而與孔隙的尺寸、分布及連通性有關(guān),并隨水化程度而變化。第127頁/共241頁提高抗?jié)B性的措施1、加入抗?jié)B劑，以提高混凝土抗?jié)B性能；2、在混凝土中加入粉煤灰、硅粉，以封閉混凝土孔隙；3、進(jìn)行二次振搗封閉毛細(xì)水上升在混凝土中形成的滲水通道；4、加強(qiáng)施工管理，保證混凝土的密實(shí)和良好的養(yǎng)護(hù)。第128頁/共241頁（五）抗腐蝕性侵蝕分類侵蝕機(jī)理（不講）環(huán)境水侵蝕分級防止侵蝕的方法第129頁/共241頁1、侵蝕分類分類侵蝕分類侵蝕特點(diǎn)第一類侵蝕溶出侵蝕（淡水侵蝕）由于水的侵析作用，將已硬化的水泥石中的水泥石中的固相組分逐漸溶解帶走，使水泥石結(jié)構(gòu)遭到破壞第二類侵蝕離子交換侵蝕（包括：碳酸、有機(jī)酸及無機(jī)酸侵蝕、鎂鹽侵蝕等)水泥石的組分與水介質(zhì)發(fā)生了離子交換反應(yīng)，反應(yīng)生成物或者是容易溶解的物質(zhì)為水所帶走，或者是發(fā)生了一些沒有膠結(jié)能力的無定型物質(zhì)、破壞了原有水泥石結(jié)構(gòu)第三類侵蝕硫酸鹽侵蝕侵蝕性介質(zhì)與水泥石互相作用并在混凝土的內(nèi)部氣孔和毛細(xì)管內(nèi)形成難溶的鹽類時，如果這些鹽類結(jié)晶逐漸積累長大，體積增加，會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生有害應(yīng)力第130頁/共241頁

3、環(huán)境水侵蝕分級

類別介質(zhì)名稱指標(biāo)鋼筋混凝土素混凝土水1水2水3氫離子濃度（ph值)1~33~4.54.5~6強(qiáng)中弱強(qiáng)中弱水4侵蝕性二氧化碳(mg/L)>40弱弱水5水6水7硫酸鹽so4含量（mg/L）>40001000~4000250~1000強(qiáng)中弱強(qiáng)中弱水8水9水10氧鈣cl-含量（mg/L）>5000500~5000<500中弱無弱無無水11水12水13鎂鹽Mg含量（mg/L)>40003000~40001500~3000弱中弱弱中弱水14水15水16銨鹽NH4含量（mg/L)>100800~1000500~800強(qiáng)中弱中弱無水17水18苛性堿或K*含量（mg/L)5000~10000<50000弱無弱無第131頁/共241頁3、環(huán)境水侵蝕分級通過對環(huán)境水進(jìn)行水質(zhì)分析，并對照標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的允許數(shù)值，從而判斷侵蝕的嚴(yán)重程度。一般可根據(jù)侵蝕的不同類型，按如下特征來判斷天然水的侵蝕：溶出侵蝕——按重碳鹽濃度（暫時硬度)；碳酸侵蝕——按游離碳酸含量；銨鹽侵蝕——按銨離子含量；一般酸鹽侵蝕——按氫離子含量（ph值）；鎂鹽侵蝕——按鎂離子含量；硫酸鹽侵蝕——按硫酸鹽含量。第132頁/共241頁4、防止侵蝕的方法

1、根據(jù)腐蝕環(huán)境特點(diǎn)，合理選用水泥品種；

選用硅酸三鈣含量低的水泥，使水化產(chǎn)物中Ca(oH)2含量減小，以提高耐淡水溶析的作用；選用鋁酸三鈣含量低的水泥，則可降低硅酸鹽類的腐蝕作用；選用摻混合材水泥，也可提高水泥的抗腐蝕能力。第133頁/共241頁4、防止侵蝕的方法

2.提高水泥石的緊密度

水泥水化所需含水量僅為水泥質(zhì)量的10%~15%，而實(shí)際用水量則高達(dá)水泥質(zhì)量的40%~70%，多余的水分蒸發(fā)后形成連通的孔隙，腐蝕介質(zhì)就容易摻入水泥石內(nèi)部，還可能在水泥石的孔隙間產(chǎn)生結(jié)晶膨脹，加速水泥石腐蝕。第134頁/共241頁4、防止侵蝕的方法

3.敷設(shè)耐蝕保護(hù)層

使用各種不透水的瀝青層、瀝青氈、不透水的水泥砂漿、瀝青砂漿薄層或?yàn)r青混凝土薄層等覆蓋在混凝土表面，以隔離侵蝕介質(zhì)與混凝土的接觸。第135頁/共241頁六、水泥漿體與集料間的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)1、過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)2、過渡區(qū)的強(qiáng)度3、過渡區(qū)對混凝土性能的影響第136頁/共241頁1、過渡區(qū)結(jié)構(gòu)水泥漿體與集料間界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的形成，首先是在搗實(shí)的混凝土中，沿粗集料周圍包裹了一層水膜，使貼近粗集料表面的水灰比大于混凝土的本體。其次，與水泥漿本體一樣，硫酸鈣和鋁酸鈣化合物溶解而產(chǎn)生鈣、硫酸根、氫氧根和鋁酸鹽離子，它們相互結(jié)合，形成鈣釩石和氫氧化鈣。由于在貼近粗集料表面的水灰比值高，此處所形成的結(jié)晶產(chǎn)物的晶體也大。因此，在界面處所形成的骨架結(jié)構(gòu)中的孔隙比水泥漿本體或砂漿基體多，板狀氫氧化鈣晶體往往導(dǎo)致取向?qū)拥男纬?，以其C軸垂直于粗集料的表面。最后，隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行，結(jié)晶差的C-S-H凝膠以及氫氧化鈣和鈣釩石的2次較小的晶體填充于由大鈣釩石和氫氧化鈣晶體所構(gòu)成的骨架間孔隙內(nèi)。第137頁/共241頁2、過渡區(qū)的強(qiáng)度過渡區(qū)的強(qiáng)度主要取決于3個因素（1）孔的體積和孔徑的大?。?）氫氧化鈣晶體的大小與取向?qū)樱?）存在的微裂縫。在水化早期，過渡區(qū)的孔體積與孔徑均比砂漿基體大。因此，過渡區(qū)的強(qiáng)度較低。大的氫氧化鈣晶體粘結(jié)力較小，不僅因?yàn)槠浔砻娣e的原因，而且相應(yīng)的范德華力也弱。此外，其取向?qū)咏Y(jié)構(gòu)為劈裂拉伸破壞提供了有利條件。第138頁/共241頁2、過渡區(qū)的強(qiáng)度混凝土過渡區(qū)微裂縫的存在，是強(qiáng)度低的主要原因。在過渡區(qū)中的微裂縫主要以界面裂縫出現(xiàn)，主要是由于粗集料顆粒周圍表面所包裹的水膜所形成。集料的粒徑及其級配、水泥用量、水灰比、養(yǎng)護(hù)條件，混凝土表里的溫濕差等因素都會影響裂縫的產(chǎn)生及其數(shù)量。由于微裂縫的存在，在受荷過程中會因應(yīng)力集中而擴(kuò)展，使混凝土提前破壞。第139頁/共241頁水泥漿本體和過渡區(qū)的示意圖由于過渡區(qū)內(nèi)存在上述3因素，因此過渡區(qū)的強(qiáng)度低于水泥漿本體和水泥砂漿基體。第140頁/共241頁3、過渡區(qū)對混凝土性能的影響在硬化混凝土結(jié)構(gòu)中，由于過渡區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度低于水化水泥漿體和集料相，因此，使混凝土在承受比水化水泥漿和集料強(qiáng)度低得多的荷載作用下而破壞。由于過渡區(qū)存在微裂縫，載荷作用下，微裂縫擴(kuò)展而引起混凝土的破壞。因此，混凝土中在受荷載后至破壞的過程中呈現(xiàn)了非彈性行為。在拉伸荷載作用下，微裂縫的擴(kuò)展比壓荷載作用更為迅速。因此，混凝土的抗拉強(qiáng)度十分顯著地低于抗壓強(qiáng)度，且呈脆性破壞。第141頁/共241頁3、過渡區(qū)對混凝土性能的影響過渡區(qū)結(jié)構(gòu)中存在額孔體積和微裂縫，對混凝土的剛性與彈性也有很大的影響。過渡區(qū)在混凝土中起著水泥砂漿基體和粗集料顆粒間的搭接作用，由于該搭接作用的薄弱，不能較好地傳遞應(yīng)力，故混凝土的剛性較小，特別是在暴露于水或高溫環(huán)境中，由于微裂縫的擴(kuò)展更為激烈，使混凝土的彈性模量比抗壓強(qiáng)度降低得更快、更多。過渡區(qū)結(jié)構(gòu)也影響到混凝土的耐久性。由于存在于其中的微裂縫的貫通性，因此混凝土的抗?jié)B性比水泥水化漿體和水泥砂漿均差。甚至對鋼筋的銹蝕也有不良的影響。第142頁/共241頁3、過渡區(qū)對混凝土性能的影響綜上所述，過渡區(qū)對混凝土的性能的影響甚大。因此，世界上許多國家則正致力于改善水泥漿體與集料界面間性能的研究，以期提高混凝土的性能。日本提出的集料裹砂工藝（SEC)將混凝土用水量分兩次投入攪拌，第一次投入的用水量與水泥形成的低水灰比水泥漿體，可以包裹集料的表面，改善了界面的特性與結(jié)構(gòu)，因此使混凝土性能有所提高。第143頁/共241頁七、水泥石—集料的界面凝結(jié)和微裂縫水泥石和集料界面的凝結(jié)強(qiáng)度，往往是普通混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)。特別是在粗集料下側(cè)的孔穴部位，尤為薄弱。原因如下：1、水泥石和集料界面的凝結(jié)，有物理結(jié)合和化學(xué)結(jié)合之分。物理結(jié)合是由于界面間的凝結(jié)和機(jī)械嚙合作用而引起的。集料的形狀、表面狀態(tài)和剛度，是物理結(jié)合的影響因素。用表面粗糙的花崗巖和石灰石集料制成的混凝土，其抗彎和抗壓強(qiáng)度要比表面光滑的卵石制成的高達(dá)30%。第144頁/共241頁七、水泥石—集料的界面凝結(jié)和微裂縫很多集料會與水泥石發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)，而形成化學(xué)結(jié)合。根據(jù)化學(xué)結(jié)合的不同，集料可以分為兩類：（1）在水泥石中形成強(qiáng)接觸層，而集料表面層則較其內(nèi)部為弱，如石英石（2）在集料表面和水泥石均形成弱接觸層，如許多碳酸鹽巖石。第145頁/共241頁兩類界面附近顯微硬度的變化情況硅質(zhì)(酸性)集料會吸附由水泥水化生成的氫氧化鈣，使界面附近水泥水化程度增大，從而提高了水泥石的強(qiáng)度。最有效的硅質(zhì)石材較最差者的凝結(jié)強(qiáng)度，約可提高到兩倍。另一方面，許多碳酸鹽石材，包括白云石，會使界面接觸層的顯微硬度降低。硬度的降低可能是由于碳鋁酸鹽的生成。高爐礦渣集料能與水泥起化學(xué)反應(yīng)，其凝結(jié)程度較惰性集料為大。水泥石與集料的凝結(jié)抗拉強(qiáng)度，約為水泥石的40-90%。第146頁/共241頁

第147頁/共241頁水泥石—集料的界面是最薄弱的環(huán)節(jié)2、在混凝土中往往在承受荷載之前就已存在著微裂縫。水泥石的收縮是引起微裂縫的主要原因。由于在混凝土中存在著集料對水泥石的約束作用，混凝土的收縮一般小于水泥石。第148頁/共241頁水泥石—集料的界面是最薄弱的環(huán)節(jié)例如，水泥石的收縮要比用質(zhì)量高而無收縮的集料制成的并含30%水泥石的混凝土的收縮，約大10倍；要比含50%水泥石的砂漿約大4倍。水泥石的極限干縮可達(dá)2000-3000微應(yīng)變。由于集料的約束作用，在水泥石中會產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力的大小和分布，與集料和水泥石的彈性模量，以及集料的分布、間距和大小有關(guān)。內(nèi)應(yīng)力還會由于水泥石的徐變而減小。根據(jù)T.T許（Hsu)的資料，在水泥石中有0.3%的體積變化，就足以使水泥石和集料界面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到13MPa的程度。第149頁/共241頁混凝土收縮裂縫混凝土收縮裂縫是由于混凝土的收縮變形受到約束而引起的，收縮變形主要包括兩部分，一是干燥收縮變形；二是溫降收縮變形?；炷岭S濕度、溫度變化要產(chǎn)生脹縮變形，當(dāng)收縮受到約束(抑制、阻礙)作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，即產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土的收縮具體包括以下幾類：第150頁/共241頁收縮類型

1、沉降收縮混凝土澆筑后，在重力和其它外力作用下，骨料下沉水泥漿上升，沉降過程中混凝土愛鋼筋阻擋，使上部混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過這部分混凝土的張力時，產(chǎn)生裂縫，這種收縮發(fā)生在混凝土終凝之前。

2、塑性收縮混凝土澆筑后（一般混凝土4-15h），水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起失水收縮（凝縮）。其收縮量級很大，可達(dá)1%左右，裂縫一般是龜裂，無規(guī)則。第151頁/共241頁收縮類型3、干燥收縮混凝土硬化后，水泥石由于失水引起的收縮?；炷林械乃煞譃榛瘜W(xué)結(jié)合水、吸附水和毛細(xì)孔水，失水主要是毛細(xì)孔水。資料表明，半個月完成20%—25%，3個月完成50%—60%，一年完成70%—80%。4、化學(xué)收縮由于水泥水化反應(yīng)過程引起的混凝土的體積變小，其與水泥的化學(xué)組分相關(guān)，C3A含量大小最重要，其體積減小可達(dá)23%。第152頁/共241頁收縮類型5、自收縮由于水化反應(yīng)消耗混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔水引起的收縮，水灰比小時收縮明顯。6、碳化收縮空氣中CO2與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮，一般發(fā)生在后期（56d以后）。

7、溫度收縮由于溫度的變化引起的收縮。第153頁/共241頁試驗(yàn)成果F.O.斯萊特脫（Slate)等人認(rèn)為，水泥石的體積變化甚至可以大于0.3%。因此，在混凝土承受荷載之前產(chǎn)生內(nèi)部裂縫是可能的，而大部分的裂縫發(fā)生在水泥凝結(jié)和硬化的時期。S.P.沙（Shah)等人的試驗(yàn)指出：由于干燥收縮在集料界面上的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，一般隨著集料粒徑增大而減小，如果它們超過水泥石和集料的凝結(jié)強(qiáng)度，則生成細(xì)小裂縫，這些裂縫在砂漿內(nèi)部也會產(chǎn)生，或者在加荷時擴(kuò)展到砂漿內(nèi)部。但更主要的是在粗集料與砂漿的界面上出現(xiàn)。因此可以認(rèn)為：在非勻質(zhì)的混凝土系統(tǒng)中，粗集料與砂漿的界面凝結(jié)是最薄弱的環(huán)節(jié)。粗集料與砂漿的凝結(jié)強(qiáng)度約為砂漿強(qiáng)度的35-65%.第154頁/共241頁八、國內(nèi)學(xué)者關(guān)于硬化混凝土

結(jié)構(gòu)的論述中心質(zhì)假說