高性能混凝土的组成与结构.ppt

高性能混凝土,武汉理工大学本科教学课程,1/32,行业背景,2011消耗约20.3亿吨水泥，浇筑约60-80亿立方混凝土在建重大基础设施规模和数量居世界之首,混凝土行业的巨大资源消耗及长期使用性能关系到整个社会的稳定与发展,2/32,行业背景,一旦结构遭到破坏将支付高额的维修费用扰乱正常的社会次序,“十一五”、“十二五”规划的重点重大工程对混凝土结构耐久性提出了高要求，如港珠澳大桥、京沪高速铁路等工程设计使用寿命约百年。,如何实现混凝土高性能化是混凝土行业的重大课题,3/32,高性能混凝土的原材料,高性能混凝土由于要满足多元组分优化配制、可泵性、高强度、良好的耐久性等多方面的技术要求，故在原材料选择上要比普通混凝土严格、复杂得多。,高性能混凝土是指采用常规材料和生产工艺，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。,4/32,高性能混凝土的组成,水泥,水,水泥浆,石子,砂子,骨料,新拌混凝土,100%,6080%,1025%胶凝材料,2040%,68%,45%,2535%,凝结硬化,硬化混凝土,混凝土外加剂,为了改善或提高工作性,矿物外加剂,5/32,6,混凝土的宏观结构,粗骨料,细骨料,水泥石,过渡区,各组成材料的作用,骨料廉价的填充材料，节省水泥用量混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性,水泥润滑作用与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性胶结作用包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝结硬化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体,7/32,各组成材料的作用,水混凝土中的拌和水有两个作用:供水泥的水化反应赋予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利对渗透性、强度和耐久性不利,8/32,各组成材料的作用,外加剂化学外加剂：改善混凝土的性能缓凝剂使水泥浆凝结硬化速度减慢；促凝剂使水泥浆凝结硬化速度减慢；减水剂减少拌和需水量；引气剂在混凝土中引起封闭气孔；矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣,9/32,（1）原材料组成较复杂,普通混凝土：水泥、水、砂、石四元组分,高性能混凝土：水泥、矿物掺合料、外加剂、水、砂、石多元组分,高性能混凝土与普通混凝土的区别,（2）对原材料有更严格的要求,如对粗集料最大粒径的要求：普通混凝土：GB50204-92有如下规定，粗集料最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1/4，不得大于钢筋最小净距的3/4；对混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不能超过50mm。高性能混凝土：除普通混凝土的要求以外，粗集料最大粒径还受泵送高度、输送管径大小限制，还受混凝土设计强度限制。,10/32,高性能混凝土的组成与结构Componentsandstructureofhighperformanceconcrete,第一节普通混凝土的组成与结构,混凝土中的三个重要环节：水泥石、界面过渡区、集料,混凝土结构的三个层次：粗观结构:Macrostructure(宏观结构)mm细观结构:Submicrostructure(亚微观结构)m微观结构:Microstructurenm,11/32,12/22,混凝土的宏观结构,粗骨料,细骨料,水泥石,过渡区,高性能混凝土的组成与结构Componentsandstructureofhighperformanceconcrete,1.硬化水泥浆体的微结构,第一节普通混凝土的组成与结构,13/32,C-S-H凝胶及其结构,关于C-S-H凝胶的结构，到目前为止仍然没有一个确定的结论，采用不同研究方法、不同测试手段得到的结果各不相同，众多研究者根据各自的研究结论建立了多种C-S-H凝胶结构模型。,（1）Kantro认为水泥浆体水化得到的C-S-H凝胶是Tobermorite(雪硅钙石)层状结构中间夹着CH分子层；（2）Stade和Wieker认为Ca2+、OH-可以存在于Tobermorite层状结构中间形成C-S-H凝胶结构；（3）Fujii和Kondo认为C-S-H凝胶是1.4nmTobermorite和CH的固溶体；（4）Taylor则认为C-S-H凝胶既包含类Tobermorite结构，也含类Jennite(羟基硅钙石)结构，这两种结构相互穿插融合，形成高度无序的结构。,14/32,15/22,氢氧化钙及其结构,Ca(OH)2是硬化硅酸盐水泥石中的另一种重要组分，在充分水化的水泥浆体中，Ca(OH)2的含量大约占20%左右，主要来源于水泥熟料矿物C3S、C2S的水化Ca(OH)2的存在与水泥石孔溶液碱度、混凝土的抗钢筋锈蚀性能、抗碳化性能、抗溶蚀性能、体积变形性能等密切相关。,在水泥石中，Ca(OH)2以两种形式存在：独立存在的氢氧化钙晶体和不稳定的Ca(OH)2。,16/22,钙矾石及其结构,硬水泥石中的钙矾石(AFt)呈六角棱柱晶体，长径比较大，在显微镜下经常看到其形貌为针状晶体。它的化学式为3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O，它是在Al(OH)63-八面体的周围结合3个Ca-O多面体组成柱状的基本结构单元，柱间的沟槽有二个水分子和三个SO42-基团。,钙矾石(AFt)、单硫型硫铝酸钙(AFm)等铝相物质在水泥水化产物中含量约7%左右。,17/22,水泥石中的孔,水泥石中的孔的分类：按尺寸大小可大致分为以下4种：(1)凝胶孔，包括凝胶粒子之间的孔和凝胶粒子内孔，其孔径约为1.23.2nm；(2)过渡孔，主要是指外部水化物之间的孔，孔径约为10100nm;(3)毛细孔，主要是指没有被水泥水化物所填充的原充水空间，其孔径约为1001000nm；(4)大孔，是指孔径大于1000nm的孔。,水泥石中的孔,孔增多对混凝土性质影响,混凝土体积密度减小混凝土受力的有效面积减小,强度降低导热系数和热容随之减小透气性,透水性,吸水性变大均匀分布的封闭微孔可提高混凝土抗冻性,18/32,水泥石中的水,水泥石中的水的分类：(1)吸附水，以呈中性的水分子H2O存在，不参与水化物结构，在分子力或表面张力作用下被吸附于固体粒子的表面或孔隙中，包括凝胶水和毛细管水。(2)结晶水，也以中性的水分子形态存在，但参与水化物晶格，有固定的配位位置;(3)化合水，也称为结构水，以OH-形态存在。,19/32,水泥石中的水,混凝土与水有关的性质,混凝土的体积稳定性混凝土的抗冻性混凝土的抗渗性混凝土的耐久性,20/32,21/22,2.界面过渡区(InterfacialTransitionZone,ITZ),界面过渡区是存在于骨料与水泥浆体本体之间的一个薄区，其厚度一般为2040m(有的文献1050m,0100m），根据研究和表征的方法不同在数据上存在一些差异。界面过渡区与水泥浆体本体相比较而言，由于一般孔隙率较高、CSH凝胶较少、存在大的定向排列的Ca(OH)2晶体，因此往往强度较低，被视为混凝土中的“薄弱环节”。SidneyMindess等人认为在典型的混凝土中，骨料颗粒之间的平均间距为75100m，假设界面过渡区厚度为40m，则界面过渡区占胶凝材料基体总体积的20%40%。,界面过渡区形成的原因：新拌混凝土阶段和水化早期的颗粒堆积边壁效应，粒子絮凝成团作用，微区泌水效应，胶凝材料溶出离子的迁移、沉积与成核生长差异性，单边生长效应和脱水收缩效应；混凝土硬化过程中的收缩、骨料与浆体的膨胀系数差别等；材料使用过程中的荷载作用，环境介质侵蚀，冻融破坏和碱骨料反应等。,影响界面过渡区特征的因素：集料的性质；胶凝材料；混凝土水灰比；混凝土制作工艺。,22/32,3.中心质假说,已故工程院资深院士吴中伟于1958年提出了水泥基复合材料的中心质假说。,23/32,3.中心质假说,各级中心质和介质之间都存在过渡层，中心质以外所存在的组成、结构和性能的变异范围都属于过渡层。各级中心质和介质都存在相互的效应，称为“中心质效应”。,效应所能达到的范围称之为“效应圈”。过渡层是效应圈的一部分。,24/32,1.高性能混凝土的水泥石微结构,第二节高性能混凝土的组成与结构,按中心质假说，在次中心质和次介质的尺度上，属于次中心质的未水化水泥熟料颗粒(H粒子)、属于次介质的水泥凝胶(L粒子)和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。高性能混凝土中的H/L粒子比值比普通混凝土的高得多。,25/32,1.高性能混凝土的水泥石微结构,H/L粒子比存在最佳值，其原因在于：未水化水泥熟粒颗粒强度高而致密，水化的水泥凝胶则胶凝性很强。未水化的水泥熟料颗粒周围的水泥凝胶都是从熟料颗粒表面水化生成的，因此这种H粒子和L粒子之间的界面存在有利的效应得到叠加，强度得以提高；在一定的孔隙率下，当凝胶减少到一定程度时，不足以充满H粒子之间的空隙时，强度反而会下降。也就是说，在次中心质的尺度上，一定的孔隙率需要有一定量的次中心质(即H/L粒子比)以形成足够的效应圈，起到效应叠加的作用，改善次介质。,26/32,1.高性能混凝土的水泥石微结构,高性能混凝土水灰比通常低于0.4，因而高性能混凝土水泥石孔隙率较低，孔径较小。,27/32,1.高性能混凝土的水泥石微结构,高性能混凝土通常掺加了矿物掺合料，其参与水化反应的产物及其未反应的细颗粒就可填充水泥石的毛细孔，使混凝土更密实，有害的大孔减少，无害或少害的小孔或微孔增多，即孔结构得到改善。,P.K.Mehta的实验结果,28/32,2.高性能混凝土的界面结构和性质,1.低水灰比提高了水泥石的强度和弹性模量，同时使水泥石和集料界面处水膜厚度减小，晶体生长的自由空间减小，晶粒变小；,水灰比不同时CH颗粒尺寸的变化,29/32,2.高性能混凝土的界面结构和性质,2.掺入的活性掺合料与CH反应，增加CSH凝胶和AFt,减少CH量，使其富集程度和取向程度下降，界面区孔隙率下降；,3.掺入高效减水剂也可使混凝土界面CH的取向程度大大减少，直到几乎无取向，取向范围也大大减少。,外加剂对混凝土界面CH取向的影响,30/32,3.高性能混凝土结构模型,1.孔隙率很低，而且基本上不存在大于100nm的大孔；,2.水化产物中CH减少，CSH和AFt增多；,3.未水化颗粒多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多，中心质间距缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到强化