混凝土的空隙

1、仅供个人参考混凝土的孔隙引言混凝土是由粗细骨料、水泥、水组成的一种复合材料，就其本身而言又是一种微孔材料，是工程界应用最为广泛的一种耐用材料。混凝土常带着裂缝工作，工程上采用限制裂缝的办法加以解决，这样讲并不是说混凝土可以任意出现裂 缝，对裂缝孔隙应予充分的注意。在大多数情况下裂缝、孔隙并不影响使 用，但对外观和耐久性极具影响。1混凝土的孔隙For pers onal use only in study and research; not for commercial use混凝土的内部孔隙是水泥硬结过程中形成的，应是混凝土的一种属性。混凝 土的孔隙是决定其属性的决定性因素，水泥水化硬结没有孔

2、隙是无法进行的。混 凝土硬结后的强度、变形、收缩、徐变、渗透、抗冻、迁移及各项侵蚀无不与孔 隙密切相关，可以说混凝土的内部孔隙决定了混凝土的材性。1.1外部裂缝规范允许混凝土结构出现的裂缝，满足规范要求不影响使用。施工过程造成 的孔隙与裂缝，振捣不实，养护不好，泌水离析形成的孔隙，选用砂石一类多 孔骨料、支模变形，沉陷裂缝，失水收缩裂缝，温度变化裂缝，自干燥与碳化裂 缝，配合比不合理与现场 W/C控制不当增加孔隙，以及保护不当造成的冻裂等。 1.2内部孔隙这是应当重点论述的，所谓混凝土性能决定于孔隙主要指存在于水泥浆体的内 部孔隙。孔隙的计算采用T C Poweros简易公式。混凝土是由合理级

3、配的粗细骨料与加入水泥浆胶结而成。 水泥浆料应充满砂石骨料的全部间隙并完好将其包 裹。新搅拌的混凝土没有孔隙 , 它们完全被拌合水所充满。 当水被水泥水化所利 用和其他原因所蒸发 , 在内部水泥水化物中就留下孔隙 , 即孔隙是存在于水泥 水化粒子之间的水分蒸发后残留的空间。 这一部分属于毛细孔 , 呈分布联通的网 状, 能发生毛细作用 , 孔径在162.5 nm 之间变化 ; 另一部分为水泥矿物在与 水发生化学物理作用,要生成50%左右C-S-H,通称凝胶体。大量的微毛细孔,电 镜无法分辨 , 孔径约在 2.50.5 nm, 甚至于小于 0.5 nm, C-S-H 体积中 1/4 为孔 隙。而

4、 C-S-H 又是决定混凝土 （ 水泥石 ） 性质的决定因素 , 这个孔隙率为 T C- Powers公式计算所得。这是一个规律,对各种水泥的C-S-H都是不变的 固定数值。第三种孔隙是由“壁垒”效力应在局部引起的孔隙增大。水泥水化浆 体在遇到骨料、钢筋等 , 接触面处形成所谓界面过渡区 , 接触面处水灰比增高 , 可引起局部泌水 , 此处的毛细孔是连通的 , 渗透性很高。由 Powers 公式有 : 水 泥凝胶 C-S-H 孔隙率 PC=0.26;毛细孔隙率 PC=（ W/C- 0.36 a ） /（ W/C+0.32）。Powers 也用胶空比反映毛细孔隙率 PC= 凝胶体积（ 含凝胶孔）

5、 /（ 凝胶体积+ 毛细体积） =0.68 a/0.68 a +（ W/C- 0.36 a ） =0.68 a/（ 0.32 a+W/C） , 此式 用于胶结材料 , 即除水泥之外另加活性矿物成分 , 如硅粉、粉煤灰 ?式中: W/C水灰比（水胶比）；a 水化程度系数 , 完全水化 a =1.0。由上列二式可知，当a定时决定孔隙、胶空比的唯一因素为 W/C 现在讨论最小水灰比 （ W/C） min 的概念 :保证水泥浆体中水泥完全水化所需要的水,即为（W/C） min。由PC=毛细孔体积 /水泥浆初始体积=（W/C- 0.36 a ） /（ W/C+0.32） 可知,当PC=0, a =1时可

6、得 出（W/C） min。分母部分不会等于零,只有分子等于零。当完全水化时a =1,可 得到W/C=0.36此即完全水化所需的水灰比。但此时一点孔隙没有（PC=0）而形成水泥水化产物必须形成一个饱和的凝胶孔。 实际上, 水泥水化后浆体由水化产 物（ 凝胶体） + 凝胶孔+ 毛细孔三部分组成。 达到完全水化时 , 凝胶体（ 水化产 物）所需水为0.24。凝胶孔为凝胶体固有部分,不随W/C大小而变化,凝胶孔中固定了 0.18 的水, 所以水泥达到完全水化时所需水量为 0.24+0.18=0.42, 用水 灰比表示 ( W/C) min=0.42, 可以理解 0.18 水是用于形成凝胶孔为水化反应提

7、供 必须空间 , 也即水化是在凝胶孔中进行的。实际使用 W/C>0.42,( 考虑模板等吸 水),多余水蒸发后就成为胶体中的毛细孔。一个主要特点凝胶孔率0.26(1/4)为固定不变,所以毛细孔只受W/C的影响,亦即W/C愈大，失水后在凝胶 体( 水化产物 ) 中残留的毛细孔率愈高。这是影响混凝土基本性质的主要因素。当W/C<0.42以后，水泥不能完全水化，胶体中存在一部分未被水化的水泥颗料， 而一部分残留毛细孔中无水,成为空孔。当内部HR达到75%80时,引起体积自 收缩, 产生内部微裂缝 , 成为孔隙的一部分。2 影响孔隙的主要因素2.1水灰比W/ C如果不计骨料中无孔隙 , 则

8、孔隙来源于水泥水化产物凝胶体 , 而毛细孔 则存在于凝胶体,则毛细孔率主要取决于 W/C由Powers理论可知,当水泥完全 水化时，a =1.0,( W/C) min=0.42,考虑到模板、周围接触物的吸水，实用应取 W/C>0.42。此时PC=8.1%,若W/C=0.6时，毛细孔率PC=26% W/C越大毛细孔率 也因之增大，但W/C不影响凝胶孔率(0.26)。2.2 水泥浆体水化程度随水化程度增加 , 孔隙率逐渐减少。由 Powers 公式可知 , 当水程度达到 50%时, 即a =0.5,相同W/C时，PC=26%,完全水化a =1.0时，孔隙率只有8.1%。水化 早期, C-S-

9、H 从水泥颗粒表面向周围有水的空间扩展 , 此时水化产物 C-S-H 具 有很高的微隙率和粗大的孔隙。 随水化发展 , 后期水化产物 C-S-H 主要在水化水 泥颗粒周围发展 , 形成更加密实的外壳 , 孔隙率亦比早期水化物大为降低。2.3 下列因素影响混凝土孔隙率(1)现场施工时向混凝土中随意加水，当水泥用量C不变时,W增大,W/C也因 之增大, 则孔隙率增大。所以混凝土施工最忌随意加水 , 包括预拌混凝土坍落度 损失, 现场临时加水 , 用水稍多可能造成混凝土泌水离析 , 内部出现较大孔隙。( 2) 湿养护不及时不规范。 混凝土在水化硬结需要一定水 , 水不足不能水化反应 , 当混凝土内部

10、相对温度小于 80%水化将 终止。成型后混凝土周围模板接触土壤、 垫层都会吸收水 , 而板类表面会因失水 收缩开裂。凡此失水混凝土表面部分 , 水泥均不能充分水分密实较差 , 水化水分 不足还会留下一些孔隙。 加强养护 , 保持混凝土面层处于湿润状态 , 及时补充失 去的水分 , 对保证充分水化反应 , 增加混凝土水泥浆体的密实性 , 减少孔隙率 , 保证混凝土的质量十分必要。( 3) 振捣好坏极关混凝土的密实程度 : 混凝土在浇筑成型时内部存在混入空 气、多余的水占据很大空间 , 振捣迫使骨料流动性增高 , 挤出空气 , 排出多余水 , 从而使混凝土密实性提高 , 孔隙率大为降低。 未化合的

11、多余水 , 硬性后就残留在 混凝土内部 , 水分蒸发后会形成各种大小的毛细孔及气孔。相反 , 振捣愈密实 , 毛细孔气孔愈少 , 孔隙率降低。振捣不实混凝土内部还会出现蜂窝状孔洞 , 过振 又会出现泌水离析 , 增加孔洞 , 或在石子、钢筋下部出现泌水区 , 造成局部孔隙 增多。2.4 控制孔隙率应从混凝土配合比选择作起粗骨料 , 细骨料, 水泥及水的用量 应搭配合理。水泥用量过多 , 水化时会产生很大热量 , 硬结过程收缩增大 , 甚至 会造成混凝土开裂。 水是混凝土形成的必要条件 , 但过量的水对混凝土毫无益处 , 未水化的水蒸发后会留下极多孔隙 ,W/C 越大内部孔隙越多 , 孔隙率增高

12、。理论 分析水泥完全水化时 W/C=0.36,由于施工过程中各种水的损失,(W/C) min=0.42, 在满足工作性能条件下 ,W/C 愈小愈有利。水泥浆料以充满并包裹粗细骨料的孔 隙及包围颗粒表面。 砂石骨料级配应合理 , 使其内部孔隙为最小 , 相反砂石之间 孔隙均会增加 , 同时必然造成水泥浆料用量增大 , 导致内部孔隙率提高。 所以配 合比选择合理性是提高密实程度 , 降低孔隙率的基础条件。2.5 碳化作用已硬化的混凝土 , 当空气中 CO2 扩散进入会与水泥浆体起化学反应 C3S2H+3CO2 3CaCO3+2SiO2+3H2©a( OH) 2+COPCaCO3+2H2O

13、这一反应产生不可逆收缩, 常在混凝土表面引起微裂缝 , CaCO3 的向周围扩散 , 加之碳化反应放出的水 , 加速了水化 , 使表面混凝土密实度提高 , 孔隙率降低 , 裂缝是有害的 , 孔隙率 降低是有益 , 概而论之碳化害多益少 ( 如钢筋锈蚀等 ) 。2.6 外加剂是影响孔隙的基本因素前面提到是只有粗、 细骨料, 水泥和水四种材料的基本混凝土 , 内部孔隙规律已 作叙述。影响孔隙率的主要因素为 W/C和a。降低W/C始终是减少孔隙率的必要 条件当 W/C<0.42 水泥不能完全水化 , 水化程度受到极大影响 , 同时混凝土的工 作度无法满足生产要求。 解决的办法是科学的加入外加剂

14、矿物外加剂和化 学外加剂 ( 只限减水剂 ) 。矿物外加剂 , 也称矿物掺料。 这是在普通混凝土中掺 入的新的活性矿物粉料 , 有的比水泥细度还细。 目前常用的有硅粉、 粉煤灰、 矿 渣粉及沸粉。混凝土中加入矿物掺料，可降低水泥用量，降低W/B(水胶比)， 改变凝胶体的微观结构，使C-S-H分布逐于分散均匀，质地愈加密实，孔隙率 可降低。这是因为这些掺料中均含有很多活性 SiO2,同Ca( OH)2作用生成C-S-H, 使C-S-H总量增多，同时掺料的细度更细，可起到颗粒充填作用，使混凝土更 为致密 , 这主要取决于掺料中 SiO2 含量多少。硅粉含活性 SiO2 达85%95%,均 径0.1

15、 !m, 比表面积1520 m2/g;粉煤灰含SiO2, 45%60%,均径820 "m,比表 面积0.30.6 m2/g, 只有硅粉的 1/41/5, 其活性远不及硅粉 ; 沸粉: 含65% SiO2, 比表面积 0.40.7 m2/g; 矿渣粉, 抗硫酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矾土水泥、矿渣硅酸盐水泥 等对不同的腐蚀介质具有不同的抗腐蚀性能。如矾土水泥抗各 种化学腐蚀能力强、火山灰水泥具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能、 矿渣水泥有较强的抗海水侵蚀性能等 7 。在混凝土耐久性设计中 , 应当选用与腐蚀环境相适应的水泥品种。2.3 添加钢筋阻锈剂 钢筋阻锈剂是掺入混凝土拌合物中 , 通过

16、化学反应 , 抑制钢 筋表面阳极或阴极反应的一种外加剂 , 主要用于预防盐类的侵蚀。 阻锈剂可分为粉剂型和水剂型 , 使用方便, 无需专门维护 , 费用比 较低廉 , 其用量取决于结构服役年限、环境条件、混凝土质量。2.4 采用环氧涂层钢筋 在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末 , 形成具有一定厚度 的一层不渗透连续的绝缘层 , 隔离钢筋与腐蚀介质的接触。美国公 路管理局从 20 世纪70 年代就开始采用这种钢筋防止桥梁的钢筋 锈蚀。美国混凝土协会在 19981999 年调查后确认 , 环氧涂层钢筋 可延长结构使用寿命 20 年左右8 。我国也制定了 JG30421997 环氧树脂涂层钢筋产品标

17、准 , 并在工程中推广使用使用环氧涂层钢筋应保证涂层应有最小厚度遮盖钢筋表面缺陷, 但又不能太厚 , 以免影响正常固化和混凝土的黏结作 用。这种钢筋在运输、加工、存放、绑扎、浇捣过程中要严防涂层 破坏 , 注意保护涂层。2.5 加强施工管理 , 重视使用阶段的维护 对混凝土耐久性有重大影响的密实度、保护层厚度的变异 性 , 在很大程度取决于施工质量。加强工程质量对提高耐久性 有重要作用。在结构的使用阶段 , 应重视对结构的维护和管理 重视服役混凝土结构的检测和评估 , 必要时进行修理和加固。不得用于商业用途仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in

18、 study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken vewendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymoiflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 员 ex.以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u