1、第3章 混凝土结构形成与基本性能（1）,3.1 混凝土内部结构的形成,本章提要,主要介绍混凝土内部结构的形成原理和基本性能。要求掌握： 硅酸盐水泥矿物的水化过程； 水泥石的相组成和物理结构； 界面过渡区及其对混凝土性能的影响； 混凝土拌合物性能、表征方法及其影响因素； 硬化混凝土性能、表征方法及其影响因素。,重要性,通过学习，要求认识到混凝土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。,3.1 混凝土内部结构的形成原理 （1）混凝土内部结构概述 （2）
2、硅酸盐水泥的水化 （3）水泥石的物理结构 （4）界面过渡区 3.2 混凝土的基本性能 （1） 混凝土拌合物性能 （2） 硬化混凝土性能 （3）混凝土的耐久性,3.1 混凝土内部结构的形成原理,3.1.1.1 表面胶结原理 混凝土是由粗集料、细集料和水泥石组成的密实的体系，粗、细集料构成骨架在集料颗粒表面，将它们胶结为一个具有强度的整体。,3.1.1.2 多级分散原理,混凝土的物理结构可理解为粗集料作为分散相分散在砂浆中而形成的一种粗分散系。 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（C-S-H凝胶）为连续相，其它晶体水化产物、未水化水泥颗粒、胶凝材料中的惰性
3、颗粒为分散相而形成的为分散系。,（1）悬浮-密实结构,为避免细级颗粒对粗级颗粒密排的干涉，粗级颗粒之间必须留有比细级颗粒粒径稍大的空隙供细级颗粒排布。 这种多级密垛方式可以获得很大的密实度，但各级集料均被次级集料所隔离，不能直接靠拢形成骨架。,具有较小的内摩擦力，易于泵送、振捣；但弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能差。,（2）骨架-空隙结构,混凝土中粗集料多，细集料少，粗集料形成骨架，细集料不足以填满空隙 除了透水混凝土等特殊场合外，应当避免这种结构，其抗水、抗化学介质渗透的能力差,（3）密实-骨架结构,集料中缺少中间尺寸的颗粒，粗集料形成空间骨架，细集料填满空隙 较高内摩擦力，不易泵送；但
4、弹性模量、抗折强度高，收缩、徐变小。 水泥石是将粗细集料胶结成整体的关键,3.1.2 硅酸盐水泥的水化,3.1.2.1 C3S、C2S的水化 C3S和-C2S是硅酸盐水泥的主要矿物。 C3S在常温下水化反应式为-C2S在常温下水化比C3S慢得多，产物相似，反应式为,水化速率,C3S、C2S的水化速率，用单位时间内的水化程度或水化深度来表示。也适用于其他熟料矿物或水泥水化速率的表征。 水化程度是指在一定时间内发生水化作用的量与完全水化量的比值； 水化深度是指矿物颗粒已水化层的厚度。,水化深度(h)，平均直径为dm，阴影表示已水化部分。,水化深度h与水化程度 的关系为：,测定水化速率,可采用直接法
5、和间接法两种。 直接法是利用岩相分析、x射线分析或热分析等方法定量地测定已水化和末水化部分的数量。 间接法包括测定水化产物结合水含量、水化热或CH生成量等方法。,水化过程五个阶段,初始水化期，水化速率快，由化学反应控制，对应于离子的溶解，发生急剧反应迅速放热、Ca2+和OH-迅速从C3S颗粒表面释放、pH12、15min结束； 诱导期，又称静止期或潜伏期，处于24h阶段；反应速率慢，由成核过程控制，对应于离子的继续溶解，该过程决定初凝时间；是硅酸盐水泥保持塑性的原因；,加速反应期，第二个放热峰，处于48h阶段；反应速率快，由化学反应控制，水化产物开始形成，导致终凝和初始硬化过程； 减速反应期，
6、又称衰减期，处于1224h阶段，水化产物CH和C-S-H结晶包裹在C3S外表，使其水化速率慢，由化学反应和扩散控制，水化产物继续生成、水泥石或混凝土获得早期强度； 稳定反应期，速率慢，主要由扩散控制，水化产物慢慢形成，水泥石或混凝土的后期强度渐增。,C3S遇水后放热速率与时间的关系,-C2S的水化过程与C3S相似，但水化速率较慢，上述五个时期出现的时刻有差异。 随着缓凝剂、早强剂等化学外加剂的应用，可以根据工程建设需要，在一定范围内人为地调整水化速率和初、终凝时间，水化放热速率会有所变化。,3.1.2.2 C3A与铁相固溶体的水化,C3A的水化非常迅速，与水溶液中离子的种类、浓度、温度、湿度影
7、响。铁固溶体与之相似，但反应较慢。 (1)纯水中水化，C3A的水化反应为：当混凝土内部相对湿度低于85%时，上述水化产物将脱水，产生晶型转变,当环境温度较高或由于水泥水化热而导致混凝土内部温度高于35时，上述水化产物将进一步发生晶型转变：甚至C3A水化直接形成C3AH6：,（2）有Ca(OH)2存在时的水化,在水泥水化中，由于C3S、C2S水化释放出CH，实际上水泥中C3A的水化是在含CH、Ca2+、OH-的水溶液中进行的：,（3）有石膏存在时的水化,当C3A较多、石膏相对较少时，AFt相将转化为单（低）硫型水化硫铝酸钙（AFm相）,为调节凝结时间，水泥中往往掺加石膏(CH2)，此时C3A的水
8、化反应会形成高硫型水化硫铝酸钙(AFt相),(4) Ca(OH)2和石膏同时存在时水化,石膏较多时，最终水化产物为AFt相：石膏用完，而C3A有剩余时：石膏相对于C3A含量很少时，高硫型水化硫铝酸钙将全部转化为单硫型水化硫铝酸钙。此时若还有C3A剩余，则将形成C4AH12与C4AH13的固溶体：,（5）铁相固溶体的水化,C4AF的水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起瞬凝。 C4AF的水化反应及其产物与C3A极为相似。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 水化铝酸钙与水化铁酸钙的固溶体,3.1.2.3 硅
9、酸盐水泥的水化,水泥的主要水化产物： 氢氧化钙 C-S-H凝胶 水化硫铝酸钙 水化硫铝（铁）酸钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙,水泥水化放热曲线与C3S十分相似,主要矿物的水化速度为C3AC3SC4AF- C2S。,影响水泥水化速率的因素,熟料矿物组成熟料中四种主要矿物的水化速率顺序为：C3A C3S C4AF C2S。 水灰比水灰比大，水泥与水的接触面积大，水化产物有足够的扩散空间，水化速率快；但凝结慢，强度下降 细度颗粒细，与水接触面积大，水化快；颗粒细，晶粒晶格扭曲、缺陷多，也有利于水化；一般40m最合理。,养护温度温度高，水化快，尤其是对水泥早期水化速率影响大。 外加剂外加剂有促凝剂、促硬剂及延缓剂等。绝大多数无机电解质都有促进水泥水化的作用。 凡影响水化的因素都影响水泥的凝结；如C3A2%，凝结太快可能无法施工；加入石膏起缓凝作用。,水泥的凝结与硬化,凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度；水泥凝胶过程分为初凝和终凝两个阶段，表示凝结过程的进展。 硬化表示水泥浆体固化后所建立的结构，具有一定的机械强度,体积的变化,水泥浆体在硬化过程中会产生体积变化，固相体积逐渐增加，而水泥水体系的总体积有所缩减。 随着水化的进行，有些游离水成为水化产物的一部分 硅酸盐水泥完全水化后，固相体积是原来的2.2倍；水泥浆体体积缩减；各种矿物的缩减量顺序为：C3AC4AFC3SC2S,
