混凝土结构形成与基本性能.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,混凝土结构形成与基本性能,要求掌握：,1.,硅酸盐水泥矿物的水化过程；,2.,水泥石的相组成和物理结构；,3.,界面过渡区及其对混凝土性能的影响；,4.,混凝土拌合物性能、表征方法及其影响因素；,5.,硬化混凝土性能、表征方法及其影响因素。,通过学习，认识到材料的宏观性能和工程行为是由材料内,部的组成和结构所决定的，而混凝土的组成和结构将随时间和,外部环境条件下的变化而发生改变。,本章是联系原材料、配合比设计、混凝土成型与养护工艺等,相关环节的纽带。,混凝土原材料的性能和配合比设计是决定混凝土内部结构和,各项性能形成与发展的内在因素。成型和养护工艺是决定混凝土,结构的形成与发展的外在因素。,一、混凝土内部结构的形成原理,混凝土是将胶凝材料、,水、粗细集料及各类化学,外加剂按一定比例，经均,匀拌和、密实成型及养护,硬化后制成的的一种人造,石材。,因此，混凝土内部结构的,含义不仅包括水泥石的结构、,即水化产物的类型、结晶状态、,大小及聚集形式等，还包括固,相组分的堆积状态、孔结构及,水泥石,-,集料的界面等。,混凝土内部结构特征、状,态直接影响到混凝土材料的性,能，同时它又受原材料及加工,工艺过程的影响。,因此研究其内部结构形成,原理及特征对于我们改善混凝,土性能、完善和改进工艺具有,十分重要的意义。,1,、混凝土内部结构概述,（,1,）混凝土内部结构原理,如前所述，混凝土是一种多相体系，内部结构十分复杂，其结构的形成过程也非常复杂，对这一体系的研究也是十分困难的。至今为止，对混凝土结构形成的原理，理论上也不十分成熟，目前较为认可的有两种说法：,表面胶结原理,多级分散原理,（,1,）混凝土内部结构原理,1,）表面胶结原理,可以从两种方式理解混凝土物理结构原理,混凝土是由粗集料、细集料和水泥石组成的密实的体系，,粗、细集料构成骨架，水泥石分布在集料颗粒表面，将它,们胶结为一个具有强度的整体。,混凝土,集料骨架,粗集料,细集料,胶结料,水泥石,2,）多级分散原理,混凝土的物理结构也可以理解为，粗集料为分散相分散,在砂浆中而形成的一种粗分散系，同样砂浆是以细集料为分,散相而分散在水泥石中的一种细分散系，水泥石是以水化硅,酸钙为连续相，其他水化产物晶体、未水化水泥颗粒、水泥,中的惰性组分为分散相而形成的微分散系。,混,凝,土,分散相：粗集料,连续相：砂浆（细分散系）,连续相：水泥石（微分散系）,分散相：细集料,分散相：,晶体、颗粒等,连续相：,CSH,凝胶,（,2,）混凝土内部结构类型,按照表面胶结原理，可以将混凝土内部结构分为三类：,悬浮,密实结构,按粒子干涉理论，为避免次级颗粒对前级颗粒密排的干涉，前级颗粒之间必须流出比次级颗粒粒径稍大的空隙供次级颗粒排布。按此组合的混凝土，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠扰而形成骨架。,A,、优点：,新拌混凝土具有较小的内摩擦力，易于泵送。,B,、缺点：,弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能不佳。,骨架,空隙结构,当混凝土中粗集料所占的比例较高，细集料很少时，粗集料可以相互靠拢形成骨架；但由于细颗粒数量较少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成骨架,空隙结构。,这种结构适宜于制作透水混凝土。其他混凝土应避免这种结构，因其抗水、抗渗透能力差。,密实,骨架结构,当集料中断去中间尺寸的颗粒，既有较多数量粗集料可形成空间骨架，同时又有相当数量细集料可填实骨架的空隙时，形成密实骨架结构。,这种结构的新拌混凝土有较高的内摩擦阻力，不易泵送；但弹性模量与抗折强度高，收缩、徐变小。,结论：,以上分析表明：粗集料的级配和堆积状态对混凝土的结构和性能影响很大，而水泥石是将粗细集料胶结成整体的关键。因此水泥水化形成水泥石的过程、水泥石的结构及集料与水泥石的界面是混凝土内部结构的决定因素。,（,1,）硅酸三钙,C,3,S,的水化反应,3CaOSiO,2,+nH,2,O=x CaOSiO,2,yH,2,O+,（,3-x,）,Ca(OH),2,即,:,C,3,S+nH=C-S-H+,（,3-x)CH,式中,x,表示钙硅比（,C/S,）,n,表示结合水量,2.,硅酸盐水泥的水化,A.C-S-H,（水化硅酸钙）,特点：,凝胶（非晶体），水泥石强度主要提供物质,组成不固定：,CaO,：时，,C-S-H,（,）,1.5)CaOSiO,2,2.5)H,2,O,时，,C-S-H,（,）,2.0)CaOSiO,2,(1,4)H,2,O,B.CH,（氢氧化钙）,特点：,较粗大晶体，造成水泥石强度下降；,维持水泥石体系较高碱度，稳定,C-S-H,；,可作为火山灰质等混合材的碱性激发剂。,水化过程,A.,诱导前期,急剧反应，出现第一个放热峰，时间很短，在,15min,以内结束。,B.,诱导期,反应极其缓慢，又称静止期。一般持续,1,4,，是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原因。,初凝时间基本上相当于诱导期的结束,。,C.,加速期,反应重新加快，出现第二个放热峰，到达峰顶时本阶段即告结束,(4,8h),。,此时终凝已过，开始硬化。,减速期：,反应速率随时间下降的阶段，约持续,12,24h,，水化作用逐渐受扩散速率的控制。,稳定期：,反应速率很低、基本稳定的阶段，水化作用完全受扩散速率控制。,(2),硅酸二钙,型硅酸二钙的水化过程和,C,3,S,极为相似，,-C,2,S,的水化反应可采用下式表示,:,2CaOSiO,2,+mH,2,O=xCaOSiO,2,yH,2,O+(2-x)Ca(OH),2,即,:,C,2,S,十,mH=C-S-H+(2-x)CH,与硅酸三钙水化相似，区别在于：,1,、水化速率为硅酸三钙的,1/20,；,2,、水化形成的,Ca(OH),2,、,C-S-H,结晶困难，单独水化速度极慢，但是在硅酸盐水泥水化时受到硅酸三钙影响而水化加快。,(3),铝酸三钙,在常温下,:2C,3,A+27H=C,4,AH,19,+C,2,AH,8,C,4,AH,19,在低于,85%,的相对湿度时，即失去,6,摩尔的结晶水而成为,C,4,AH,13,。,C,4,AH,19,、,C,4,AH,13,和,C,2,AH,8,均为六方片状晶体，在常温下处于介稳状态，有向,C,3,AH,6,等轴晶体转化的趋势。,C-S-H（）2.,但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在某些条件下会移去，可以造成干缩和徐变。,光滑的比粗糙的更有利于工作性。,型硅酸二钙的水化过程和C3S极为相似，-C2S的水化反应可采用下式表示:,C3A水化所成的C4AH13又能与先前形成的钙矾石依下式反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）,B、粗、细集料的比例；,但弹性模量与抗折强度高，收缩、徐变小。,（3）影响工作性的主要因素,C3A水化所成的C4AH13又能与先前形成的钙矾石依下式反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）,（1）混凝土内部结构原理,连续相：砂浆（细分散系）,这些性质综合起来通常叫做和易性(稠度)。,这些性质综合起来通常叫做和易性(稠度)。,自由水：在50nm数量级的大孔中的水，可视为自由水。,械振捣的作用下，产生流动并,第三阶段：加水24h以后，直到水化结束,在常温下:2C3A+27H=C4AH19+C2AH8,氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作用，也就是在水化产物中铁置换部分铝，形成水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体，或者水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体。,处于碱性介质中的C4AH13在室温下能够稳定存在，其数量迅速增多，就足以阻碍粒子的相对移动，使浆体产生瞬时凝结。,中的惰性组分为分散相而形成的微分散系。,混凝土是将胶凝材料、,这些性质综合起来通常叫做和易性(稠度)。,B、填充在固体颗粒间的填充水；,若凝胶材料和集料对水的包裹、吸附能力较强，则水分就不易分离，或称拌合物的保水能力较强、,在这一阶段，由于生成的产物层阻碍了反应进一步进行，同时，水化产物尺寸细小，数量又少，不足以在颗粒间架桥连接形成网络状结构，水泥浆体仍呈塑性状态。,酸钙为连续相，其他水化产物晶体、未水化水泥颗粒、水泥,了解混凝土在这一阶段的性质，对于控制混凝土的施工质量大有益处。,在常温下:2C3A+27H=C4AH19+C2AH8,促凝剂、早强剂、缓凝剂等,在液相的氧化钙浓度达到饱和时，,C,3,A+CH+12H=C,4,AH,13,在硅酸盐水泥浆体的碱性液相中最易发生；,处于碱性介质中的,C,4,AH,13,在室温下能够稳定存在，其数量迅速增多，就足以阻碍粒子的相对移动，使浆体产生瞬时凝结。,在水泥粉磨时通常都掺有石膏进行缓凝。,在石膏、氧化钙同时存在的条件下：,C,4,AH,13,+3C H,2,+14H=+CH,所形成的三硫型水化硫铝酸钙，又称,钙矾石,。由于其中的铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相，故,常以,AFt,表示,。钙矾石不溶于碱溶液而在,C,3,A,表面沉淀形成致密的保护层，阻碍了水与,C,3,A,进一步反应，因此降低了水化速度，避免了急凝。,当,C,3,A,尚未完全水化而石膏已经耗尽时：,C,3,A,水化所成的,C,4,AH,13,又能与先前形成的钙矾石依下式反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（,AFm,）,+2C,4,AH,13,=3 +2CH+20H,C,3,A,的水化产物,CaSO,4,2H,2,O/C,3,A,（摩尔比）,水化产物,3.0,AFt,1.0,3.0,AFt +AFm,1.0,AFm,50nm,数量级的大孔中的水，可视为自由水。失去自由水不会造成任何体积改变。,混凝土的特性,混凝土从制作到制得成品都要经历拌合物、凝结硬,化及硬化后三个阶段，掌握这三个阶段混凝土的性,质特征，对于选择施工方法，控制质量将大有益处。,二、混凝土的基本性能,（一）混凝土拌合物性能,混凝土搅拌后尚未凝结硬化的混合物称为拌合物，又,称为新拌制的混凝土。,新拌制的混凝土应具有,定的弹性、塑性和粘性。这些性质综合起来通常叫做和易性,(,稠度,),。是混凝土拌合物的一种综合性的技术性质。,二、混凝土的基本性能,（一）混凝土拌合物性能,1,、工作性,（,1,）新拌混凝土的基本要求,1,）易于拌和与运输；,2,）质量均一、稳定、易于浇注；,3,）易于振捣与密实；最好避免振捣、自密实、低燥音或无燥；,4,）浇注、密实、成型过程中不产生离析、分层；,5,）成型后的混凝土表面易于修整。,（,2,）工作性,工作性也可以定义为：制备充分密实而不产生分层离析的混凝土所需要的机械功（或能量）。,（,1,）流动性,混凝土拌合物在自重或施工机,械振捣的作用下，产生流动并,均匀密实地填满模板各个角落,的能力。流动性的大小，反映,混凝土拌合物的稀稠程度，又,称之为稠度。它可以影响施工,捣实的难易和灌筑的质量。,（,2,）粘聚性,混凝土拌合物所表现的粘聚力。这,种粘聚力使混凝土在受作用力后不,致出现离析现象。,（,3,）保水性,指混凝土拌合物保持水分不易析,出的能力。保持水分的能力一般,以稀浆析出的程度来测定。,1,）用水量与高效减水剂,（,3,）影响工作性的主要因素,2,）集料配比与集料性质,3,）水泥与掺合料的特性,4,）环境温度,5,）工作性的经时损失,1,）用水量与高效减水剂,混凝土拌合物的初始状态可看作是由胶凝材料、集料等固体颗粒与水组成的一种流体。其中水可以分成三部分：,A,、吸附在固体颗粒表面的吸附水；,B,、填充在固体颗粒间的填充水；,C,、多加的附加水（自由水）。,a,、附加水对固体颗粒的流动起着分离、润滑的作用；因此水,固比越大，拌合物塑性粘度越小，流动性越大，易于拌和。但过多的自由水（附加水）将导致拌合物分层、离析。,b,、在水固比一定的条件下，固体颗粒堆积孔隙越少，需要的填充水越少，而附加水也就相应增多，有利用拌合物的流动。,c,、固体颗粒越细，表面积越大，需要的吸附水越多，自由水就越少，塑性粘度和屈服应力将越大，拌和物流动性降低。,d,、固体颗粒表面吸附膜的厚度与其物理、化学特性及电性能有关。采用高效减水剂可以改变固体颗粒，特别是胶凝材料颗粒的表面性南，防止颗粒聚集，并减小吸附水膜的厚度，增大拌合物的流动性。,2,）集料配比与集料性质,主要包含三个方面：,A,、集料的总量；,B,、粗、细集料的比例；,C,、集料的性质,a,、水灰比一定的条件下，集灰比增加将降低工作性；,b,、集料粒径越小，需要越多的水泥才能保持较好的工作性；,c,、细集料偏少将使拌合物粗糙、容易分层，浇注和修饰困难；,d,、细集料偏多（砂率偏大），工作性在一定范围内会变好，但是经济性较差，混凝土收缩会增大，硬化混凝土对水、气、介质渗透能力降低；,e,、集料的几何特征对拌合物的工作性影响也较大。,球形集料有滚珠效应，表面吸水少，利于工作性。多棱多角集料机械咬合强，不利于工作性。扁平与长条状集料，表面积,-,体积比高，需要较多的水和水泥，不利于工作性。光滑的比粗糙的更有利于工作性。多孔、吸水率高的将降低工作性。,3,）水泥与掺合料的特性,A,、水灰比不变时，增大水泥用量将明显有利于工作性的提 高，但过高的水泥用量不仅不经济，还会导致混凝土体积稳定性变坏；,B,、胶凝材料越细，表面积越大，吸附水就越多，水化反应消耗水的速度也越快；不利于工作性。,C,、水泥中,C3A,、,C3S,含量越高，水化反应越快，消耗水的速度越快，也会降低工作性。,D,、拌合时水泥温度越高，越不利于工作性。,4,）环境温度,环境温度越高，水向环境蒸发速度以及水泥水化反应速度越快，不利于工作性。因此高温季节施工时需多用水，更多应采措保水措施。,5,）工作性的经时损失,产生经时损失的原因：,拌合后由于水的蒸发、水被吸收和吸附，以及水泥的水化耗水，再加之新的水化产物的形成改变了颗粒的表面结构，所以混凝土拌合后随着时间的推移，其屈服应力随时间的发展而增加。,其拌合物的工作性会发生降低，此降低称为损失，即经时损失。,减小经时损失的主要方法是掺加外加剂。,主要有,6,种,工作性的测定方法,贯入试验,流动试验,重塑性试验,固实性试验,坍落度试验,搅拌机试验,2,、离析与泌水,离析指混凝土拌合物成分相互分离，造成内部结构组成和结构不均匀的现象。通常表现为粗集料与砂浆相互分离，例如密度大的颗粒沉积到拌合物的底部，或者粗集料从拌合物整体中分离出来。,造成离析的原因可能是浇注、振捣方法不适当，集料最大粒径过大，粗集料比例粗集料比例过高，胶凝材料和细集料的含量偏低，与细集料相比粗集料的密度过大，或者拌合物过干或过湿等。,使用矿物掺合料或引气剂可降低倾向。,泌水指在拌合物浇注、密实之后。在凝结硬化之前，水分从拌合物内部迁移到表面的现象，是离析现象的一种特殊形式。,水是拌合物各成分中密度最小的，具有从其他成分中分离的倾向。若凝胶材料和集料对水的包裹、吸附能力较强，则水分就不易分离，或称拌合物的保水能力较强、,要减少泌水倾向，可以加入矿物掺合料、引气剂、减水剂等拌合物的泌水特性可用泌水速度和总泌水率评价。,3.,含气量,拌合物存在的气相有：一是引气剂引入的均匀、稳定、封闭的，二是浇注、振捣过程中混入的，并被封闭在拌合物中的空气。,含气量的测定可采用质量法、体积法、压力法等。,4.,密度（容积密度）,5.,凝结时间,（二）混凝土在硬化过程中的性能,混凝土的凝结硬化，要经历初凝、终凝到产生初期强度等三个过程，这主要是靠水泥的水化作用来实现。水泥的水化反应放出热量，使混凝土升温，将会出现初期体积变化和可能出现裂缝现象。了解混凝土在这一阶段的性质，对于控制混凝土的施工质量大有益处。,混凝土这种干缩、湿涨变形现象部是混凝土中所含水分的变化而引起的。,其湿涨值很小，不会引起混凝土的破坏。混凝土干缩变形对构筑物的危害,较大，它可能使混凝土表面出现较大的拉应力，从而引起表面开裂，影响,混凝土的耐久性。,（二）混凝土初期的体积变化,混凝土的干缩,当混凝土在干燥空气中硬化时，混凝土中,的水分会逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体逐渐干燥,而收缩。,混凝土的湿涨,当混凝土长期在水中硬化时，由于水泥水,化充分，内部游离水充满混凝土颗粒之间的空隙和毛细孔,道，混凝土会发生微量的膨胀。,（三）混凝土硬化后的性能,强度是混凝土的最主要的技术特性，也是施工过程中必须达,到的首要指标。混凝土强度主要有立方体抗压强度、轴心抗,压强度与轴心抗拉强度、弯曲抗压强度、疲劳强度、抗剪强,度、握裹强度等。,在混凝土的各种强度中，以抗压强度值为最大，因而在混凝,土结构中主要是利用它来设计承受的压力。在钢筋混凝土结,构中，则尽量利用钢筋承受拉力，而主要利用混凝土来承受,压力。,1.,强度,谢谢观看,谢谢观看,