材料结构与性能四讲混凝土结构与性能的关系PPT课件.ppt

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 1 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 2 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 3 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 1 m 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 4 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 1 m尺度内 CH可有100 m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 m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9 15 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 15 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附力而受压过程则需要破坏化学键 S Chatterji等人 2 11 又从波特兰水泥和高铝水硬化水泥浆体的拉压强度比不同 波特兰水泥为1 10左右 高铝水泥为1 30左右 附和了Brunauer的观点 认为高铝水泥石结晶完整 晶粒粗大 表面能小 所以抗拉强度较低 受压破坏时断裂的离子键多 故而抗压强度较高 拉压比较小 Setzer和Wittmann 2 12 则从湿度的变化对表面自由能和抗压强度的影响估计化学键和物理键对水泥浆结构强度的贡献各占50 5 硬化水泥浆体的结构特征 关于硬化水泥浆体的结构 历史上形成了较有影响的三种结构模型 其共同点是均认为水泥石是由不同相组成的多孔体 固相主要是具有胶体分散度的亚微观晶体 这些晶体可以吸附水 渗透水 并在结构上保持 结合 一定数量的水 其中T C Powers等人认为 水泥与水发生水化作用 首先在水泥颗粒的周围产生凝胶 部分凝胶将逐渐生成纤维状 针状及箔片状的无定形晶体 当水分不足时 水泥不能全部水化 存在未水化的水泥颗粒 当水分过多时 多余的水分以游离的形式存在其中 因此 硬化后的水泥浆体是由水泥凝胶 结晶水化物 未水化水泥颗粒 胶孔水 毛细孔水 胶体表面吸附水及空隙蒸发水等组成 如图 6 存在于水泥石中的水有以下四种 自由水 存在于胶体和晶体表面 当空气相对湿度为98 时 仍可蒸发 毛细孔水 存在于毛细孔中 当空气相对湿度低于98 时即可蒸发 凝胶水 存在于胶体中的水称胶孔水 存在于凝胶之间的层间水 吸附于凝胶粒表面的称吸附水 当空气相对湿度低于40 这此水都可蒸发 水化水 存在于水化物晶体中 是不可蒸发的 水泥石中的孔可分为三类 凝胶孔 是水化水泥颗粒间的过渡空间 水泥凝胶的最小孔隙率占水泥凝胶体积的28 即凝胶孔约占凝胶体的1 3 毛细孔 初始水灰比越大和水泥水化度越小 则毛细孔孔隙率越大 在水泥不断水化条件下 水泥石毛细孔孔隙率随水泥石龄期的增长而下降 非毛细孔 孔径比毛细孔孔径大的孔 图2 2硬化水泥浆微观结构简化模型fig2 2MicrostructuremodelofHCP能引起混凝土干燥收缩的可蒸发水是毛细孔水 吸附水和层间水 而非毛细孔中水能在很高相对湿度 98 下蒸发 但它不会引起混凝土收缩 7 Diamond 2 4 把CSH凝胶的形貌概括为四种 即Type 为纤维状 包括针状和管状 长0 2 2 m 宽约0 2 m Type 为网络状或蜂窝状 成三维空间分布 在水泥浆体中较多出现 Type 为不规则等大粒子 常见为0 1 m左右 TypeIV为内部水化产物 皱状 成密集的多孔结构 尺寸亦为0 1 m左右 但Feldman和Seveda 2 13 却认为 在CSH凝胶颗粒内部和颗粒之间的结合的化学和物理性质始终是不很清楚的 他们提出CSH结构应是不规则的单层状排列 用He流法测得层间的比面积为621m2 g 而同时测得层间空间为10 28cm3 于是可推断CSH凝胶层间距为0 33nm 层间的固体单分子水为层间水 这种水应为异常水 比重为1 2 层间水的存在使Ca在CSH凝胶结构中配位数增加 导致结合力增强 以Wittmann和Setzer 2 12 2 14 为代表的慕尼黑 Munich 学派对层间水这一概念提出不同看法 他们从一系列物理化学原理出发 认为水泥浆在潮湿状态应属于粘弹性 而在干燥状态才可近似为弹性体 如图2 3所示 因而所处流变状态不同 服从规律也必然不同 该模型认为CSH均为干凝胶粒子 水分对其性质的影响可以通过表面自由能获得解释 8 水泥石各组分对其力学性能的影响 1 浆体及其内部各组分的作用作为混凝土的连续相 硬化水泥浆的强度直接决定了混凝土的强度 有人曾把硬化水泥浆的强度按各组分组合 即 A C3S B C2S C C3A D C4AF 其中括号内表示各组分的份数 这样未免显得粗糙 硬化浆体的强度虽与水泥的矿物组成有关 但主要受水化产物的种类 数量的控制 2 15 一般说占水泥25 左右的C2S C3S的水化凝胶构成了水泥石的强度主体 尽管这些凝胶的Ca Si和形状不同 但其巨大的比表面积和表面能产生的粘附力对浆体强度的贡献是公认的 而争议较多的是占水化产物20 左右的CH和其他大晶粒的作用 有人认为 2 16 CH和Aft等大晶粒仅仅是在水化初期形成一个疏松骨架以使CSH的结构不断建立起来 而最终这个疏松骨架只是水泥石的缺陷来源 不是强度来源 原因是其比表面积只是CSH的0 1 0 01 而其粒子周界却构成了裂纹引导源 Grudemo 2 8 也认为CH形成较大的板状晶体引入应力集中很大的直裂纹 导致在低应力时破坏 尤其是在低水灰比下 但Segaliva指出 虽然CH的比表面积比CSH小 但其断裂表面能却比CSH大10倍 因此 存在一个临界尺寸 当生成大量细小的CH晶粒时有利于接触点的增多 导致结构增强 近期大量的粉煤灰 硅灰等改性水泥 也证实了这一点 2 17 9 2 水的作用水在浆体结构的形成过程是不可缺少的物质 而且在CSH的结构与CSH的行为中 具有非常重要的作用 但是关于水在CSH中的真实状态争议很大 因为水是一种极性分子 可以预料 它能与羟基化合物如水化水泥的表面发生激烈的二次反应 尤其在CSH的结构中水似乎更起着特殊的作用 水可以以各种方式固定在CSH的结构中 如毛细孔中的容积水 吸附在表面的物理水 固体状态的结构水 内层水 及固体晶格上的羟基水 这些形态的水没有很大的差别 只是从一种形态逐渐过渡到另一种形态而已 一般都认为当水从CSH结构中逸出时 结构要发生某些重新排列 随之CSH间结合力也发生变化 但不同的CSH模型对水的处理很不相同 如2 1 2节所述 在Powers模型中 水可以渗透到颗粒之间的所有空隙 而层间水是固定的 直至发生强烈干燥 这时失去的水是不可逆的 而Feldman等认为水可以在内层空隙自由进出 Munich模型则认为水是被牢固吸引在固体表面而影响固体间的结合力 目前的认识尚无法统一 大量的资料证明 2 24 水的存在对强度和断裂行为有重要的影响 饱和试件的抗压强度比干燥试件的低10 试件破坏的时间 静态疲劳 随着与试块平衡的相对湿度的升高而缩短 即水的存在加快了亚临界裂纹的扩展 此外 湿试件的表面断裂能也比干试件的小 为说明这一现象 提出了应力腐蚀机理 即水是腐蚀剂 当有水存在时 通过键的变形 在裂纹的顶端将发生进一步开裂 这种变形能促使其形成羟基群 也就是说水引起键的低应力破坏 10 3 孔的影响孔作为材料中强度为零的一相 对任何材料的强度都起负作用 2 18 最早建立起水泥浆孔隙率与强度函数关系的是Feret 2 19 他给的函数方程为 此后建立了不少强度与孔隙率的表达式 其中典型的有 式中 为强度 为水 水泥和气孔的分数 为常数 此后建立了不少强度与孔隙率的表达式 其中典型的有 2 7 式中 2 8 式中 为常数 是与比表面积有关的常数 为总孔率 三个方括号分别代表三个层次的孔的影响 11 4 微裂纹的影响关于裂纹 根据Griffith理论 它是材料破坏过程最危险的因素 2 4 8 26 硬化浆体的破坏 是其受力时有一个预存裂纹的稳定扩展 阻止到失稳扩展的全过程 最终导致材料的破坏 那么预存裂纹是怎么产生的呢 这就要从水泥石的形成 结构特征与所处的环境中分析 首先是化学减缩的作用 新拌水泥浆是水与水泥颗粒的两相体系 水化过程中水化产物固体增多 水量下降 但总体积减缩 当水泥浆硬化后处在约束条件下 这种化学减缩则会因为收缩应力超过临界值而致裂 但这种化学减缩致裂的比例较小 2 3 此外化学减缩还包括有碳化收缩 即Ca OH 2与环境中的CO2结合而生成CaCO3与H2O H2O蒸发而引起的收缩 其次是物理收缩 包括干燥收缩和降温收缩 也是最主要的致裂因素 由于水泥石中水的存在 当环境湿度下降时 必然引起内部水份的蒸发而干缩 水泥石干燥收缩机理主要有毛细管张力说和表面吸附说等 2 27 毛细管张力说认为收缩与干燥过程中毛细管水的弯月面有关 由于干燥 毛细管内水面下降 弯液面曲率变大 表面张力增大 对管壁产生压力而导致收缩 但当相对湿度小于35 以后 毛细管张力会下降 而无法解释低湿度下的收缩 表面吸附说认为 吸附水一旦从CSH凝胶上脱离 表面能就要增加 胶粒被压缩而致体积收缩 还有层间水和吸附水的脱离也导致胶粒的靠近产生新的结合而收缩 因此 干缩的机理可以理解为相对湿度较大时为毛细收缩 可逆 湿度较小时为失去吸附水和层间水而收缩 部分不可逆 关于温度收缩与水泥石的温度变形系数有关 10 5 当温差足够大时 可以引起较大的收缩 12 水泥石的改性研究 水泥石连续相的增强研究 1 火山灰类物质对水泥浆连续相的改性研究 火山类物质包括粉煤灰 稻壳灰 硅粉等 是一种很好的资源 又严重污染着环境 20世纪60年代以来 国内外众多的学者和工程技术人员对其在水泥及混凝土中的应用作了大量研究工作 其中 吴科如 2 33 等对粉煤灰的颗粒形态进行了详细表征 杨南如等 2 34 2 35 2 36 对粉煤灰在水泥浆中的水化动力学 磨细灰的性质及其对力学性能的影响作了系统研究 Langan等人 2 40 研究了硅粉和粉煤灰水泥的水化热 Masao等人 2 37 2 38 详细研究了硅粉 粉煤灰对水泥浆体及其与骨料界面的行为影响 Malhotra等人 2 39 对稻壳灰的改性机理作了研究 研究表明 火山灰性物质可以明显的提高水泥浆体的强度 改善水泥浆体内矿物组成和晶体形态 其中硅灰和稻壳灰不但可以提高水泥石的后期强度 也可提高水泥石的早期强度 其改性机理主要有三方面 一是其火山灰活性可与水泥水化形成的CH生成CSH 既增加了水泥石中的CSH的数量 又减少了CH的数量并使其晶粒细化 二是火山灰物质的微珠颗粒的滑动性可以减少用水量而减小水灰比 其良好的颗粒分布特征具有微集料密实填充的效应 三是掺入火山灰物质后水化热明显降低 可减小水泥石内应力 但火山灰类物质似乎对水泥石的韧性改善没什么影响 13 2 石灰石粉对水泥连续相的改性研究石灰石超细磨后 会与水泥成分产生化学反应而具有增强效果和较好的物理特性 YunxingShi等人 2 41 比较了硅粉 矿渣粉和石灰石粉发现 掺入石灰石粉的水泥浆体具有较好的流变特性 Elkhadiri等人 2 42 比较了粉煤灰和石灰石粉水泥砂浆的力学行为 Pera 2 43 和Husson 2 44 等人研究了石灰石粉与水泥矿物的化学作用 研究表明 石灰石粉的改性增强机理主要有二 一是其物理作用 即石灰石可以降低水泥浆的粘度并具有集料填充效应 二是其水化反应作用 即石灰石粉可与C3A形成碳式水化铝酸盐C3A CaCO3 11H2O并可取代部分SO42 形成钙矾石 而这些含CaCO3水化物均有较好的化学稳定性 增强效果较好 但同样遗憾的是这种改性也没有明显提高水泥石的韧性 3 超细颗粒致密体系 DensifiedSystemwithUltrafineParticles DSP 水泥DSP水泥近期以来研究较多 2 45 2 46 2 47 它是由波特兰水泥 硅粉和超塑化剂经压实而成的一种高强水泥基材料 由于硅粉颗料为球形 粒径范围从0 05 0 5 m 平均直径为0 1 m 该粒径比水泥颗粒 0 5 100 m 要低两个数量级 因此硅粉可充当水泥颗粒间理想的微填充料 而且 由于硅粉是无定形硅 它将与水泥孔隙中碱性的水化产物的离子发生化学反应 DSP胶结料由在水泥颗粒间均匀分布的超细硅粉所组成 为了帮助达到可能的最大密实度 用超塑化剂来使絮凝的水泥和硅粉颗粒分散 从而有利于它们在拌和及成型时相对滑移 14 水泥浆连续相的增韧研究从水泥浆组成结构特征的分析可知 水泥浆体内没有可以产生塑性变形的化学键 只能靠细观层次裂纹的扩展和水分的迁移产生少量不可逆变形 因此要提高水泥浆的韧性 提高塑性 只能从连续相层次添加可以产生塑性变形而又不会引起开裂的物质 从20世纪60年代以来 不少研究者在这样方面做了大量工作 归纳起来 主要在两个方面 1 水泥聚合物改性水泥混凝土 PolymerCementConcrete PCC PCC是用高分子聚合物与水泥混掺成型而形成的结构整体 Ohama 2 48 研究了水溶性聚合物的特性 认为在水溶液中的水溶性聚合物都有较好的分散性 表面能小 可与水泥粒子有较好的粘结性 吴科如 2 49 Yoshio 2 50 和Smamy 2 51 等人较系统地研究了PCC的物理力学行为 认为PCC与普通水泥混凝土相比 明显提高了拉压比 耐磨性 耐冲击性 抗冻性和不透气性 抗拉强度有所提高 塑性显著增大 但遗憾的是 PCC在提高塑性和拉压强度比的同时 也带来了抗压强度的不足 显然 以牺牲抗压强度提高的拉压比是不太好接受的 2 MDF Macro Defect freecement 水泥 MDF水泥是Brichalll等人 2 52 用聚合物和水泥经碾压而制成的 曾制成世界上第一根水泥弹簧而引起水泥基材料学术界的震动 J F Young等 2 53 对其进行了认真的研究 发现它实际上是一种聚合物与水泥联合作用的结果 还存在有湿敏效应 受潮而强度下降 现在的研究 2 47 MDF已可用多种聚合物与硅酸水泥和高铝水泥配制 具有更多的附加功能 但其成型工艺 已不是做建筑材料可以借用的 15 二 界面区特性及与物理力学性能关系 人们很久以来就已认识到硬化水泥浆体与粗骨料的界面是混凝土最薄弱的环节 3 1 1963年 Hsu 3 2 等人系统地观察了混凝土的断裂过程 发现在加荷前一些界面已开裂 在外荷达70 破坏应力前 裂缝主要在界面发生 超过这一荷载 裂缝开始向基相发展并相互连通 集料尺寸越大 其与硬化水泥浆的界面越易开裂 为弄清界面区何以会引发裂纹 Lyubimove和Pinus 3 3 首先在细观级上对界面进行深入研究 提出界面过渡区的概念 他们用显微硬度测试技术发现在靠近骨料表面处 硬度最小 向基体发展 硬度逐渐增加 呈梯度变化 到100 m以后达到常数 如图3 1所示 16 此后 在20世纪70 80年代 更多的学者开始利用现代测试技术对硬化浆体与集料界面的组成 结构及成因进行了进一步的研究 形成了四种关于界面区结构比较有影响的模型 一是1978年由Barnes 3 4 等人提出并经Maso 3 5 重申 他们用SEM观察发现界面过渡层存在三个区域 即集料 双层膜区 双层膜 氢氧化钙界面区和氢氧化钙 浆体界面区 裂缝在离集料表面30 40um的地方形成 如图3 2a所示 二是1980年Ollivier和Grandert提出的氢氧化钙在骨料表面定向结晶堆垛 其C轴垂直骨科表面模型 3 6 如图3 2b所示 三是1985年Zimbelman提出的界面区由骨料表面紧密堆积的氢氧化钙层 C轴平行骨料表面 到氢氧化钙和钙矾石混杂多孔层再到水泥浆层的模型 3 7 如图3 2c所示 四是1986年Monterino 3 8 提出的界面区由骨料表面的氢氧化钙 C轴垂直骨料表面 和钙矾石交错层到多孔的结晶相与层再到水泥浆基相层的模型 如图3 2d所示 17 a TheBarnesetal Modelaspresented b TheOllivier GrandetModel 1982 byMaso 1980 c TheZimbelmanModel 1985 d TheMonteiroModel 1986 18 2019 12 29 19 这些模型的主要差别在于骨料表面是否存在C S H膜 骨料表面是否有一个CH定向层 垂直或平行 以及是否存在钙矾石与骨料表面的紧密接触 但这些学者也均从不同的角度的研究证实了界面区的一些主要特征 即 界面区晶体比基相中晶体大 晶粒间的初始微裂缝也大 有利于裂纹引发和扩散 界面区比基相有更多的孔隙 孔隙较大 因而各种结构组分之间的耦合力比基相小 晶粒间的实际接触面积也小 界面区的大晶粒有择优取向 关于界面区的形成原因他们也有比较一致的认识 即水分的渗透在骨料表面受到阻碍而在骨料表面形成较厚的水膜 腔 在水化过程中较小的离子 Ca2 Al3 SO42 K Na 具有较大的迁移扩散能力 首先进入界面水膜中形成晶体 由于水膜的作用阻碍了未水化粒子与骨料的充分接触 而导致该区孔隙率较高 骨料的墙壁效应 Walleffect 既阻碍了晶体在垂直骨料表面方向上的长大而导致大晶粒的择优取向 又影响晶粒排布上充分紧密堆积而导致界面区孔隙率的增加 3 4 3 10 近十多年来 对界面区结构的认识 又有了一些新的进展 20 总之 界面区的形成原因及特征为 1 新捣实混凝土中粗骨料颗粒下侧形成水膜 使得从粗骨料下面沿法线方向进入砂浆时水灰比由大变小 2 过渡区的水灰比较大 水化产物晶体发育较完整 粗大 形成的网络骨架比砂浆基体的孔隙率大 且在界面区从骨料表面到浆体由大变小 呈梯度分布 3 过渡区板状Ca OH 2晶体往往容易取向排列 多为C轴垂直于骨料表面 致使过渡区的强度有一定的取向性 4 过渡区的显微硬度低于硬化水泥浆本体的显微硬度和骨料的显微硬度 5 粗骨料有阻滞密实成型时砂浆中气泡的上浮外排作用 硬化后在粗骨料下表面形成孔穴 6 过渡区的组分的梯度变化使得混凝土呈现出非弹性行为 21 改善界面区结构的研究 在研究界面区结构特征的同时 混凝土研究工作者都始终把研究的主要注意力放在如何改善界面区结构 提高混凝土性能上 周建华和Prokoski 3 18 3 19 通过高强水泥浆和硅灰包裹粗骨料的办法 使骨料与基相界面劈裂强度提高100 断裂能提高60 使混凝土在很大程度上得到强化与韧化 Ollivier 3 12 等通过混凝土成型过程W C的梯度变化 减少了界面区孔隙率 使界面得到了改善 Merchant 3 25 借鉴耐火材料提高抗热震性原理 即适当的细骨料和微小裂纹的稳定扩展 可以提高抗热震性 通过添加膨胀剂 使浆体适当膨胀 压缩粗骨料界面而起到了膨胀增韧 增强的效果 苏慕珍等人 3 27 也通过膨胀水泥改善了界面结构 指出添加一定量的石膏 可以使石灰石 水泥浆体界面大晶粒细化 胶体化而使界面区压缩 改善界面粘结力 Masao 3 15 Wong 3 28 和Jiang 3 29 d等人通过在水泥中添加一定量粉煤灰 Kangesu 3 30 和Dale 3 31 等人通过在混凝土中添加硅粉 Zhang和Lastra 3 32 等人通过在混凝土中添加稻壳灰 均使界面区结构得到了改善 使混凝土强度和断裂韧性明显增大 降低了混凝土的渗透性而提高了耐久性 22 其主要机理有三 一是外掺组分的火山灰效应 消耗了部分界面区的CH 使CH的晶粒变小 定向性变差 界面区Ca Si明显下降也使水泥的水化程度得到提高 C H S胶粒增多 二是硅灰 稻壳灰和粉煤灰中的细颗粒的填充密实作用 使界面区的孔隙率明显下降 孔径变小 三是硅灰等的吸附作用 压缩了骨料表面的水膜 使界面区明显变窄 由普通混凝土的50 m下降到高性能混凝土的15 m左右 3 30 Delagrave 3 20 通过增加界面粗糙度的方法 增加了Cl 扩散的难度 提高了界面结合力 而改善了砂浆混凝土的耐久性 Tasong等人 3 21 3 22 还通过对玄武岩 石灰石 石英岩和二氧化硅砂等四种骨料的表面离子扩散活性的研究表明 具有一定活性和表面粗糙度的骨料 有利于形成较强的界面 Kunieda等人 3 23 也通过把老混凝土表面粗糙化的办法 改善了新 老混凝土的粘结 提高了界面抗拉强度和断裂韧性 Giaccio和Zerbino 3 43 通过用花岗岩碎石 石英质碎石 硅质河卵石和混合河卵石等四种不同表面特性的粗骨料混凝土作分析比较 表明骨料表面的粗糙度明显地影响着混凝土的强度 尤其是对低水灰比高强度混凝土 但研究人员也发现 虽然通过骨料表面粗糙化 可以改善界面粘结状况 提高其力学行为 但其改进程度是很有限的 3 24 3 25 骨料与水泥浆形成新的化合物 似乎对阻止裂纹扩展也没多大贡献 只是影响了裂纹的走向 3 26 23 三 分散相作用及其作用机理 自水泥混凝土使用以来 人们对分散相的作用 功能及其作用机理的研究就没有停止过 最早是从力学性能及经济性考虑 就分散相 骨料 的含量 级配等进行研究 此后为改善水泥基材料的性能 引入增强组分 如各种增强纤维 接着又针对水泥基材料功能单一的缺陷 又引入了具有附加功能的组分 如保温 轻质 导电 防辐射 屏蔽等 近些年来 为拓宽混凝土的用途和功能及自防护自诊断能力 又开展了机敏混凝土和智能混凝土的研究 这些研究均无一例外的是从分散相组分入手的 24 颗粒分散相对水泥混凝土物理力学行为的影响 颗粒分散相指砂 石 陶粒等各种类型的粒状骨料 它们在混凝土中的分散情况如图4 1所示 在混凝土中分散相的体积约占70 80 可以想象它对混凝土性质具有的重要作用 由于分散相的性质不同 也就赋予混凝土以不同的力学行为 分散相大部分取自天然岩石 压碎的岩石 天然砾石和砂子 细骨料 其对混凝土性能的影响是多方面的 如分散相的表面特性 粒形 粒径 种类 强度和含量等对混凝土的工作性 强度 变形性和耐久性等性能的影响 25 骨料的表面特性 粒形和粒径对混凝土性能的影响 首先表现在对新拌混凝土工作性的影响 其次表现在对粘结性和强度的影响 理想的骨料是一种表面比较光滑 外形近似于球形的颗粒 大多数天然的砾石和砂子接近于这一程度 碎石表面粗糙 棱角较多 就相邻粒子的运动来说 这样的颗粒干扰严重 就要求有足够的水泥浆去包裹骨料以提供润滑作用所需要的水泥浆厚度 否则工作性较差 扁平和细长的骨料 一方面说明其来自于含有脆弱破裂面的岩石 另一方面也严重地影响新拌混凝土的工作性 细骨料的形状和表面特性仅仅影响工作性 而粗骨料的表面特性由于影响机械啮合力而影响着混凝土的强度 粗糙的骨料表面将改善机械粘结 而砾石等光滑骨料的表面则不利于这种粘结 因此工作性和图4 2骨料粒径与混凝土相对强度粘结力对骨料表面有着不同的要求 必须寻找两者的恰当结合点 骨料的最大粒径越大 混合料需要的水泥浆越少 在相同水泥含量时 则流动性 工作性 较好 在工作性及水泥含量一定时 则混凝土的强度较高 但骨料尺寸增大 粘结面积减少以及内应力增加 也会导致混凝土强度下降 Kawakami证实 4 3 随着骨料粒径的增大 混凝土的强度降低 26 骨料的体积含量 种类和强度也明显地影响着混凝土的强度 关于骨料的体积含量的影响 Gluklich 4 8 通过实验证明 细骨料对混凝土强度的影响是先增强而后削弱 如图4 3所示 作者认为这是因为细骨料引发裂纹和阻止裂纹扩展的图4 3细骨料含量与混凝土强度的关系主次作用的转化之故 而粗骨料的影响则如图4 4所示 4 9 是先下降而后回升 图4 3细骨料含量与混凝土强度的关系图4 4粗骨料含量与混凝土强度的关系 27 关于骨料的强度和种类对混凝土强度的影响 Jones和Kaplan 4 11 给出了不同种类的粗骨料的混凝土抗压强度与抗弯强度的关系 表明粗骨料种类对两种强度比有明显影响 也表明骨料种类对抗弯强度的影响要比对抗压强度的影响大得多 20世纪70年代 Franklin等人 4 12 也从实验中证明不同种类的骨料对混凝土的抗压强度的影响 如图4 7所示 最近的研究也表明 4 13 不同种类的骨料的确影响着混凝土的强度 Alexander等人用23种南非不同的粗骨料 观察了其混凝土28天和180天强度 发现在同样的配比下 不同骨料混凝土的强度差在28d可达15MPa 这种强度的离散 说明不同种类骨料对强度的影响 这包括了骨料的表面特性 骨料的活性 尤其是骨料的强度 混凝土的强度 随着骨料强度的提高而提高 但有一个最大值 当骨料强度 与砂浆强度 之比大于2时 混凝土强度又下降 且混凝土的强度始终没有超出砂浆的强度 这表明了大粒径骨料的致裂效应 即界面弱区的影响 因此 界面区的改善 必将改善混凝土的力学性能 28 由于粗骨料的棱角效应和致裂作用 使混凝土的强度难以超过砂浆的强度 但通过合理的设计 使细骨料充分填满粗骨料的空间 即所谓的紧密堆积混凝土或DSP材料 2 45 46 47 可以使混凝土达到很高的强度 Addis 4 16 发现在高强混凝土 HSC 的配制中 采用间断级配 紧密堆积 可以弱化粗骨料的不利影响 他用26 5mm和6 7mm的两种骨料混用 使骨料松散容重达到1750kg m3 其混凝土的强度可以比连续级配的提高10 Kronlof 4 17 发现通过掺加无活性的石英砂细粉 提高骨料的堆积密度 在贫混凝土中 混凝土的强度随着细微骨料的增加而提高 但在富混凝土中 胶凝材料超过800kg m3 时 添加细微骨料作用不大 这是可以理解的 因为富混凝土中 水泥浆可以填满骨料的堆积空间 紧密堆积混凝土和DSP材料的实践提示我们 通过骨料和胶凝材料 细粉填料的合理搭配 即充分注意骨料的空间堆积分布状态 可以改善和提高混凝土的强度 29 关于分散相对混凝土弹性模量和变形的影响 研究表明 其影响也是很显著的 大家公认的骨料 混凝土 砂浆和硬化水泥浆的应力 应变典型曲线如图4 10所示 4 21 可见 骨料的弹性模量最大 而变形最小 但与砂浆配制成混凝土后 却使其非线性变形增大 也使混凝土的弹性模量高于砂浆和硬化水泥浆的弹性模量 Aitcin和Mehta 4 18 用辉绿石和石灰石碎石骨料与含有软质矿物的河卵石和花岗岩碎石作比较 发现前者较硬骨料的混凝土的弹性模量较后者为高 其结果某种程度上可以用两相弹性模量的并联一串联 3 33 模型进行大概的预测 但均有相当的偏差 实验还发现同一种骨料和配比的混凝土 龄期不同 弹性模量也不同 如图4 13所示 即是说不仅骨料特性 表面状况 硬度及活性 影响着强性模量 混凝土的强度 即界面粘结强度 也影响着混凝土的弹性模量 Teychenne 4 20 给出了同龄期下混凝土强度与其弹性模量的函数关系式 30 关于分散相对混凝土变