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1、第二章高性能砼的组成、结构及其性能第二章高性能砼的组成、结构及其性能21 普通砼的组成和结构普通砼的组成和结构 高性能混凝土在材料上与普通混凝土的重要区别是：使用高效减水高性能混凝土在材料上与普通混凝土的重要区别是：使用高效减水剂、使用矿物细掺料和采用低水灰比。剂、使用矿物细掺料和采用低水灰比。高性能混凝土的组成与结构还是以普通混凝土为基础的。高性能混凝土的组成与结构还是以普通混凝土为基础的。一、研究砼内部结构的三个尺度研究砼内部结构的三个尺度 常以粗观、细观和微观三常以粗观、细观和微观三个尺度研究混凝土内部结构。个尺度研究混凝土内部结构。硬化的混凝土由水泥浆体硬化的混凝土由水泥浆体（水泥石）
2、、界面过渡区和集（水泥石）、界面过渡区和集料三个重要环节组成，界面过料三个重要环节组成，界面过渡区的性质对混凝土的性质起渡区的性质对混凝土的性质起着决定性的作用。着决定性的作用。集料集料界面过界面过渡区渡区水泥浆体水泥浆体混凝土混凝土性质性质为什么过渡区性质起决定性作用：混凝土强度远低于骨料和硬化水泥浆体的强度；混凝土的渗透性，即使在骨料非常致密的情况下，也要比相应的水泥浆体低一个数量级。混凝土微观结构研究的不同尺度和对象混凝土微观结构研究的不同尺度和对象混凝土中的孔分为四类：混凝土中的孔分为四类：无害孔无害孔 孔径孔径20 nm；少害孔少害孔 孔径为孔径为20100 nm；有害孔有害孔 孔径
3、为孔径为100200 nm；多害孔多害孔 孔径孔径200 nm。二、硬化水泥浆体的微结构二、硬化水泥浆体的微结构 1、水泥的水化、水泥的水化 （1）硅酸盐水泥的矿物组成）硅酸盐水泥的矿物组成石灰石石灰石粘土粘土铁矿粉铁矿粉 磨细磨细加热加热生成生成硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料加加3生石膏磨生石膏磨细成水泥细成水泥硅酸三钙硅酸三钙 3CaO SiO2 (C3S)50%硅酸二钙硅酸二钙 2CaO SiO2 (C2S)20%铝酸三钙铝酸三钙 3CaO Al2O3 (C3A)715%铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 （C4AF)513%矿物矿物组成组成 （2）各矿物组成单独与水作
4、用的特征）各矿物组成单独与水作用的特征名名 称称C3SC2SC3AC4AF凝结硬化速度凝结硬化速度快快慢慢最快最快快快28天水化放热量天水化放热量大大小小最大最大中中强强 度度高高早期低、后期高早期低、后期高低低低低（4）水泥的水化）水泥的水化 水泥加水后，水泥加水后，C3S立即与水反应生成水化硅酸钙立即与水反应生成水化硅酸钙CSH C2S的水化速度比的水化速度比C3S慢得多（数周后）慢得多（数周后）C3A极其迅速地与水反应（数分钟后）极其迅速地与水反应（数分钟后）反应生成水化铝酸三钙，体积收缩，在未加石膏情况下，反应生成水化铝酸三钙，体积收缩，在未加石膏情况下，将引起瞬凝。将引起瞬凝。C4A
5、F迅速与水反应（比迅速与水反应（比C3A 迟）迟）22223)(332362OHCaOHSiOCaOOHSC22222)(32342OHCaOHSiOCaOOHSCOHOAlCaOOHAC232236363OHOFeCaOOHOAlCaOOHAFC23223224634为调节水泥凝结时间，加入二水石膏。为调节水泥凝结时间，加入二水石膏。它与生成的水化铝酸三钙反应生成水化硫铝酸钙，俗称它与生成的水化铝酸三钙反应生成水化硫铝酸钙，俗称钙钒石，体积膨胀钙钒石，体积膨胀1.5倍，它在水泥颗粒表面形成薄膜，致倍，它在水泥颗粒表面形成薄膜，致使水泥反应推迟，不出现瞬凝现象。使水泥反应推迟，不出现瞬凝现象。
6、水泥水化后的主要产物有水化硅酸钙、氢氧化钙、水化水泥水化后的主要产物有水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸三钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙，在完全反应的水泥铝酸三钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙，在完全反应的水泥石中水化硅酸钙体积约占石中水化硅酸钙体积约占5060，氢氧化钙约占，氢氧化钙约占2025。OHCaSOOAlCaOOHOHCaSOOHOAlCaO2432224232313319)2(363水化硫铝酸钙水化硫铝酸钙 钙钒石钙钒石2、硬化水泥浆体的组成、硬化水泥浆体的组成 充分水化的水泥浆体组成：充分水化的水泥浆体组成：水化硅酸钙水化硅酸钙CSH70%，比表面积非常大，纤维状。，比表面积非常大，纤维
7、状。氢氧化钙氢氧化钙 Ca(OH2)20%，六方板块，晶体。，六方板块，晶体。钙钒石钙钒石 7%，针状晶体。，针状晶体。未水化熟料的残留物等杂质未水化熟料的残留物等杂质3%。34nm,气孔尺寸气孔尺寸1060.011mm气孔尺寸气孔尺寸103硬化水泥浆体中硬化水泥浆体中的水有的水有3种存在种存在形式：形式：结晶水；结晶水；吸附水，存在吸附水，存在于凝胶孔与毛细于凝胶孔与毛细孔中；孔中；自由水，存在自由水，存在于粗大的气孔中。于粗大的气孔中。3水泥石微结构研究的主要结论水泥石微结构研究的主要结论 美国著名水泥化学家美国著名水泥化学家Power Tc,1960年提出：年提出：凝胶孔的孔径凝胶孔的孔
8、径3-4nm，在凝胶中占，在凝胶中占28%的体积，且凝胶孔与凝的体积，且凝胶孔与凝胶水与水灰比和水化程度无关。水泥浆体的收缩与徐变主要受胶水与水灰比和水化程度无关。水泥浆体的收缩与徐变主要受凝胶孔的影响（凝胶孔的影响（W/C大、水化程度大大、水化程度大 CSH的量大）。的量大）。Power TC通过测定和计算得到（通过测定和计算得到（1960年，高效减水剂问年，高效减水剂问世前）：世前）：完全水化的水泥结合水量占水泥质量的完全水化的水泥结合水量占水泥质量的0.227（水灰比）；（水灰比）；使水泥完全水化而无毛细孔时的水灰比使水泥完全水化而无毛细孔时的水灰比0.379（水化的结合（水化的结合水凝
9、胶孔中水）；水凝胶孔中水）；使水泥完全水化并具有最低毛细孔孔隙率的水灰比为使水泥完全水化并具有最低毛细孔孔隙率的水灰比为0.437；使混凝土具有可施工的流动性（无外加剂），水灰比为使混凝土具有可施工的流动性（无外加剂），水灰比为0.5。硬化水泥浆体由水化物、未水化颗粒、水和毛细孔组硬化水泥浆体由水化物、未水化颗粒、水和毛细孔组成，而互相连同的毛细孔决定了硬化水泥浆体的渗透性和抗成，而互相连同的毛细孔决定了硬化水泥浆体的渗透性和抗冻性。冻性。水化程度大水化程度大 凝胶孔和凝胶水大；凝胶孔和凝胶水大；毛细孔及其吸附水小（凝胶填充）。毛细孔及其吸附水小（凝胶填充）。混凝土中水泥用量增大混凝土中水泥用
10、量增大 凝胶量增大凝胶量增大 水灰比大水灰比大 水化充分水化充分 硬化后收缩、徐变增大硬化后收缩、徐变增大 所以用矿物细掺料取代部分水泥、降低水灰比可以减少所以用矿物细掺料取代部分水泥、降低水灰比可以减少收缩与徐变。收缩与徐变。体积水灰比为体积水灰比为0.6的水泥浆体组分和水化程度的关系的水泥浆体组分和水化程度的关系三、混凝土中的界面三、混凝土中的界面 混凝土受荷载前水泥石和集料的界面就存在许多微裂缝混凝土受荷载前水泥石和集料的界面就存在许多微裂缝,其形成的原因是：其形成的原因是：水泥石和集料的弹性模量不同，当温度、湿度变化时，水泥石和集料的弹性模量不同，当温度、湿度变化时，水泥石与集料变形不
11、一致；水泥石与集料变形不一致；在混凝土硬化前，水分向亲水的集料表面迁移，在集在混凝土硬化前，水分向亲水的集料表面迁移，在集料表面形成水膜，混凝土硬化后留下缝隙；料表面形成水膜，混凝土硬化后留下缝隙；水泥浆体泌水也会在集料下表面形成水囊。水泥浆体泌水也会在集料下表面形成水囊。1、界面的过渡层、界面的过渡层 从细观尺度上看，水泥石和集料的界面是一个有一定厚从细观尺度上看，水泥石和集料的界面是一个有一定厚度的过渡层，其厚度为度的过渡层，其厚度为0100m。过渡层是由于水泥浆体。过渡层是由于水泥浆体中的水在向集料表面迁移的方向形成水灰比梯度而产生的。中的水在向集料表面迁移的方向形成水灰比梯度而产生的。
12、集料集料水泥石本体水泥石本体过渡层过渡层CWCWCWCW图图310 典型的混凝土界面过渡层典型的混凝土界面过渡层 2、界面过渡层的特性：、界面过渡层的特性：从集料表面向水泥石本体，水灰比逐渐减小，直到等于从集料表面向水泥石本体，水灰比逐渐减小，直到等于水泥石本体的水灰比；水泥石本体的水灰比；由于水灰比的差别，离集料表面越近，结晶体水化物越由于水灰比的差别，离集料表面越近，结晶体水化物越容易生成，而且尺寸越大；容易生成，而且尺寸越大；六方薄片结晶的六方薄片结晶的Ca(OH)2以层状平行于集料表面取向生以层状平行于集料表面取向生长，越靠近集料表面取向程度越大。长，越靠近集料表面取向程度越大。W/C
13、高；高；孔隙率大；孔隙率大；Ca(OH)2和钙钒石多，硅酸钙水化物的钙硅比和钙钒石多，硅酸钙水化物的钙硅比（CaO/Si2O）大；）大；Ca(OH)2和钙钒石结晶颗粒大；和钙钒石结晶颗粒大；Ca(OH)2取向生长。取向生长。3、影响界面过渡层厚度和性质的因素、影响界面过渡层厚度和性质的因素 集料的性质集料的性质 若集料能吸水，可降低集料周围浆体的水灰比，并因此减若集料能吸水，可降低集料周围浆体的水灰比，并因此减少界面层的不利因素。如用陶粒作粗集料的陶粒混凝土。少界面层的不利因素。如用陶粒作粗集料的陶粒混凝土。若集料具有活性，在界面处会产生化学反应而改善界面。若集料具有活性，在界面处会产生化学反
14、应而改善界面。如具有火山灰活性的沸石凝灰岩。如具有火山灰活性的沸石凝灰岩。胶凝材料胶凝材料 水泥中掺入活性细掺料，减少水泥量，因此减少了水泥中掺入活性细掺料，减少水泥量，因此减少了Ca(OH)2的生成量。另一方面活性细掺料与的生成量。另一方面活性细掺料与Ca(OH)2反应生成水化硅酸反应生成水化硅酸钙钙C-S-H，能减少界面的，能减少界面的Ca(OH)2并限制其取向。并限制其取向。水灰比水灰比 水灰比大，则孔隙率大，且水灰比大，则孔隙率大，且Ca(OH)2的结晶颗粒增大。降低的结晶颗粒增大。降低水灰比可以改善界面过渡层的性质。水灰比可以改善界面过渡层的性质。混凝土搅拌制作工艺混凝土搅拌制作工艺
15、 混凝土的搅拌、成型和养护工艺过程均可影响界面的结构混凝土的搅拌、成型和养护工艺过程均可影响界面的结构和性质。和性质。常规的混凝土搅拌顺序为常规的混凝土搅拌顺序为砂石子水泥砂石子水泥干拌干拌30S干混合料干混合料加水加水出料出料 混凝土搅拌顺序改为混凝土搅拌顺序改为1砂石砂石用部分拌和水用部分拌和水喷淋，正常搅拌喷淋，正常搅拌湿润的砂、石湿润的砂、石水泥水泥加其余水，加其余水，搅拌搅拌30S拌和料拌和料搅拌搅拌30S出料出料 混凝土搅拌方法改为混凝土搅拌方法改为2石子水灰比（石子水灰比（0.150.2）极低的部分水泥）极低的部分水泥净浆净浆第一次第一次搅拌搅拌再加入砂、其余的再加入砂、其余的水
16、泥、其余的水水泥、其余的水第二次第二次搅拌搅拌出料出料 第一次搅拌时首先在石子表面形成一层水灰比很低的水第一次搅拌时首先在石子表面形成一层水灰比很低的水泥浆薄层，经第二次搅拌形成的界面过渡层其泥浆薄层，经第二次搅拌形成的界面过渡层其Ca(OH)2生成生成量不再富集，取向性不再出现，孔隙率也大大减小。量不再富集，取向性不再出现，孔隙率也大大减小。不同搅拌工艺下不同搅拌工艺下混凝土界面两侧混凝土界面两侧的显微硬度的显微硬度22 高性能混凝土的组成和结构高性能混凝土的组成和结构 高性能混凝土在材料上的主要特点：高性能混凝土在材料上的主要特点：水灰比低、掺用高水灰比低、掺用高效减水剂、掺活性细掺料。效减水剂、掺活性细掺料。一、高性能混凝土的水泥石微结构一、高性能混凝土的水泥石微结构 1、低水灰比带来的水泥石微结构特点、低水灰比带来的水泥石微结构特点 由于水灰比低、高性能混凝土中增加了很多未水化的由于水灰比低、高性能混凝土中增加了很多未水化的颗粒，从而增加了有益的次中心质，增加了强度。颗粒，从而增加了有益的次中心质，增加了强度。因为：水泥在水灰比约为因为：水泥在水灰比约为0.44时，可完全水化留
