材料结构与性能-第四讲混凝土结构与性能关系.ppt

《材料结构与性能-第四讲混凝土结构与性能关系.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、混凝土结构与性能的关系一、硬化水泥浆体的结构、性能与改性二、界面区的特性及其与物理力学性能关系三、分散相的作用及其作用机理四、层状水泥基复合材料界面区组分对材料性能影响一、硬化水泥浆体的结构、性能与改性水泥基材料是属于多相多层次的复合材料，包括从组成水泥基材料的原子-分子结构，晶粒-胶团-气孔的浆体结构，胶体-细集料的砂浆结构，砂浆-粗骨料组成的素混凝土结构以及混凝土-增强钢筋结构等。不同层次的材料组成与结构，在不同深度与程度上影响着材料的宏观物理力学性能。当然，在研究材料的某一具体性能时，也必须考

2、虑各个层次的综合影响，包括层次交叉和交互作用。水泥浆具有胶凝作用，在混凝土中呈现连续分布，称为连续相或者基体，它把骨料相（分散相）牢固地胶结在一起，形成混凝土并使其具有抵抗外力作用和环境侵蚀的功能。所以，水泥浆连续相性能的优劣，直接影响着混凝土整体的宏观行为。水泥浆体结构的形成过程作为水硬性胶结材料，必须具备两个基本特征，即水化反应能力和生成稳定凝聚结构能力。这就要求胶结材本身具有结构不稳定性，遇水后有足够的水化反应活性，并能生成足够稳定的水化产物且彼此具有较好的凝聚力。水泥正是这样一种材料。人们对

3、水泥浆水化硬化的研究起始于19世纪80年代。1882年，LeChatelier[2-1]提出了水泥浆硬化的结晶理论，他认为水泥与水混合后，无水化合物溶解于水并与水形成水化物，因水化物溶解度比无水化合物小而过饱和析晶。细长的水化物晶体具有较大的内聚力而交织成体且具有强度。但硬化浆体内并不都是结晶体，Michaelis[2-2]又提出了胶体理论，他认为水泥与水反应可形成氢氧化钙（CH）、水化铝酸钙和钙矾石等晶体，但其溶解度较大而抗水性差，而使水泥石具有较抗水性和强度的是溶解度更小的C-S-H凝胶。这些胶

4、粒及晶体随着水化的进行不断在水泥颗粒之间沉淀和迁移填充密实，内聚力不断提高最后形成硬化致密的结构。此后A.A.Baikov又提出了水泥水化凝结硬化的溶解—胶化—结晶三阶段理论（这三个阶段并无严格顺序），并经P.A.Rebinder修正[2-3]趋于完善。水泥颗粒遇水后发生化学反应生成水化产物，达到过饱和状态时，形成结晶和胶粒沉淀，这两类物质在三维空间上形成凝聚网络和结晶网络。凝聚网络以范德华力吸附内聚，在胶粒接触点上还会保留一层水膜，内聚力相对较弱，有可逆性；当微晶直接相连时，就形成结晶网，结晶网的

5、强度取决于单位体积内晶体数目、大小、接点数和晶体本身的强度。这个结构不可逆，破坏后可由吸附力作用形成凝聚网。凝聚网与结晶网相互穿叉交织在一起而形成水泥浆体的硬化结构。这里凝聚网与结晶网的区分，主要不在结晶程度，而更多的取决于接触点成键的本质。现代测试技术，给我们提供了在更深（细）层次上研究水泥浆体结构的可能。研究发现[2-4][2-5]，胶体和晶粒大都在胶体粒子的尺度上（0.1μm），两者的比表面积都很大（100-400m2/g），所以前面谈到的凝聚网与结晶网的区别，仅仅是一个术语问题。由于水泥粒子

6、的水化不是同时完成的，在水化初期每个水泥粒子形成一个水化结晶中心，终凝后水化物的转移扩散又受到阻碍，加之水化过程水分自始至终的存在，固体颗粒吸附水膜也同时存在，这一切都似乎无法使水泥浆体形成一个完整的共价（或离子）键结晶网络，而只能是胶粒（胶团）和晶粒的凝聚体。S.Dimond[2-4][2-5]及其后来众多的研究者均用SEM观察到水泥浆中确实存在着结晶结构和凝胶的结构，但大都在0.1～1μm尺度内（CH可有100μm大小）。Dimond还给出一个凝胶相和结晶相的数量关系，即在成熟的水泥浆体中，水化

7、硅酸钙（CSH）凝胶约占70%，CH晶相约占20%，钙矾石（Aft）及单硫型水化硫铝酸钙（Afm）晶粒约占7%，（当然这是一个水泥浆完全水化的理想极限，因为水泥浆中总或多或少的存在未水化水泥颗粒），且其中晶相粒子都偏大，也不可能形成网络结构，只能是包裹在CSH凝胶内部。就CSH凝胶而言，胶粒均在μm级内，不同部位的C/S还变化不定（0.89～3.0之间），且多为硅酸钙为－Si－O－Si－的二聚体、五聚体或八聚体[2-6]，最大到十一聚体[2-7]，聚体之间靠氢键或分子键连接。尤其深入到更小层次，如在

8、9~15Å内就观察不到基底反射[2-8]，因此有理由认为在这个尺度上已不存在层次结构，而在9~15Å的尺度上形成化学键的可能性是不存在的。正像Powers[2-9]指出的那样，在凝胶粒子中有28%的孔隙，粒子间主要靠范氏力作用，或者说靠高表面自由能作用而形成强度。当然这与材料的受力环境（受拉或受压）有关。S.Brunauer把受拉和受压两种形式分开考虑[2-10]，依据高频超声振动可以把互相粘附的微粒分开，而不能把象晶粒、胶粒再分开的现象指出，受拉过程只需克服粒子间粘