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1、第四讲第四讲 普通混凝土的硬化普通混凝土的硬化 及结构形成过程及结构形成过程主要内容主要内容混凝土结构概述混凝土结构概述普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象硅酸盐水泥的水化及凝结硬化硅酸盐水泥的水化及凝结硬化(自学）自学）水泥石的亚微观结构水泥石的亚微观结构(自学）自学）水泥石的工程性质水泥石的工程性质(自学）自学）水泥浆体与集料间的过渡区结构水泥浆体与集料间的过渡区结构水泥石水泥石集料的界面粘结和微裂缝集料的界面粘结和微裂缝混凝土结构模型混凝土结构模型一、混凝土结构概述一、混凝土结构概述结构与性能的关系结构与性能的关系硬化混凝土的结构与形成过程硬化混凝土的结构与形
2、成过程宏观结构宏观结构微观结构微观结构（一）结构与性能的关系（一）结构与性能的关系材料的各种性能与其内部结构存在依存关系，材料的各种性能与其内部结构存在依存关系，材料的内部结构往往决定了其性能。因此改变材料的内部结构往往决定了其性能。因此改变结构，即可改变其性能。结构，即可改变其性能。混凝土材料也不例外。混凝土的各种性能（强混凝土材料也不例外。混凝土的各种性能（强度、弹性、收缩、徐变、开裂、耐久性）均受度、弹性、收缩、徐变、开裂、耐久性）均受混凝土的结构影响。混凝土的结构影响。（二）硬化混凝土的结构（二）硬化混凝土的结构1、宏观宏观结构结构-均匀均匀普通混凝土的宏观组织呈堆聚状普通混凝土的宏观
3、组织呈堆聚状，内部结构十分复杂。，内部结构十分复杂。组成：组成：视为集料分散在水泥石中两相复合材料。视为集料分散在水泥石中两相复合材料。2、微观微观结构结构 -不均匀不均匀 水化产物水化产物 不同尺度的不同尺度的孔隙孔隙 多相多相：气相、液相气相、液相、固相固相多多组分：粗细组分：粗细集料集料+水泥水泥石石多多孔：毛细管、孔隙、微裂缝孔：毛细管、孔隙、微裂缝（二）硬化混凝土的结构与形成（二）硬化混凝土的结构与形成l硬化混凝土的结构硬化混凝土的结构:水化水泥浆体水化水泥浆体 集料集料 水泥浆体和集料的过渡区水泥浆体和集料的过渡区l混凝土结构的形成：混凝土结构的形成：拌和拌和浇注浇注密实密实硬化硬
4、化混凝土混凝土（三）过渡区（三）过渡区存在于在水泥浆体与集料结合的界面，过渡区存在于在水泥浆体与集料结合的界面，过渡区是围绕大集料周围纳一层薄壳，此处的硬化水是围绕大集料周围纳一层薄壳，此处的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结构有明显的不同，其厚度一般为构有明显的不同，其厚度一般为1015m，是混凝土性能中的一个薄弱环节是混凝土性能中的一个薄弱环节。二、普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象二、普通混凝土宏观堆聚结构的分层现象外分层外分层 定义定义 危害危害内分层内分层 定义定义 三个区域三个区域 危害危害（一）外分层现象（一）外分层现象定义定义危
5、害危害a图图 不同粒径的固不同粒径的固体体i粒子沉降距离粒子沉降距离b图图 分层的开始分层的开始c图图 分层的结果分层的结果粗大的颗粒沉积粗大的颗粒沉积于下部，多余的于下部，多余的水分被挤上升或水分被挤上升或积聚于粗集料的积聚于粗集料的下方而导致的混下方而导致的混凝土不均匀现象。凝土不均匀现象。外分层使混凝土外分层使混凝土沿着浇灌方向的沿着浇灌方向的结构不均匀，其结构不均匀，其下部强度大于顶下部强度大于顶部。表层混凝土部。表层混凝土成为最软弱部分成为最软弱部分。（二）内分层现象（二）内分层现象定义定义：粗骨料间隙内砂浆中，砂颗粒及：粗骨料间隙内砂浆中，砂颗粒及水泥颗粒下沉、水上浮的现象。水泥颗
6、粒下沉、水上浮的现象。三个区域：三个区域：区域区域1：充水区域充水区域 区域区域2：正常区正常区 区域区域3：密实区密实区危害：危害：充水区域是混凝土中最弱的部分，充水区域是混凝土中最弱的部分，也是混凝土渗水的主要通道和裂缝的发也是混凝土渗水的主要通道和裂缝的发源地。由于混凝土内分层，使混凝土具源地。由于混凝土内分层，使混凝土具有各向异性的特征。表现为沿着浇灌方有各向异性的特征。表现为沿着浇灌方向的抗拉强度较垂直该方向的为低向的抗拉强度较垂直该方向的为低。三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化三、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化n 钙硅比钙硅比n 硅酸盐水泥水化产物的组成与结构硅酸盐水泥水化产物的组成与结构
7、n 水泥石的微观结构水泥石的微观结构n 胶孔比胶孔比（一）钙硅比（一）钙硅比1、钙硅比定义、钙硅比定义 3CaO.SiO2+nH2O xCaO2SiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2 x=x=CaOCaO/SiOSiO2 2或或X=C/SX=C/S，称为钙硅比。，称为钙硅比。2、影响、影响钙硅比因素钙硅比因素氢氧化钙溶液的浓度氢氧化钙溶液的浓度当当氢氧化钙浓度约为氢氧化钙浓度约为1-2mol/L 1-2mol/L 时，生成时，生成C/SC/S小于小于1 1的固相的固相（由水化硅酸一钙和硅酸凝胶组成）；如氢氧化钙浓度更（由水化硅酸一钙和硅酸凝胶组成）；如氢氧化钙浓度更低，则水化硅酸一钙就会分
8、解成氢氧化钙与硅酸凝胶；低，则水化硅酸一钙就会分解成氢氧化钙与硅酸凝胶；当氢氧化钙浓度约为当氢氧化钙浓度约为2-20mol/L 2-20mol/L 时，生成时，生成C/SC/S为为的水化硅的水化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为C-S-H C-S-H（）或或CSH(B)CSH(B)。当溶液当溶液中中氢氧化钙浓度饱和时（即氢氧化钙浓度饱和时（即CaOCaO1.12g/L1.12g/L)，生，生成碱性更高成碱性更高(C/S(C/S为为1.5)1.5)的水化硅酸钙固相。这一类水的水化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为化硅酸钙统称为C-S-H C-S-H（）或）或C C
9、2 2SHSH2 2.硅酸三钙的水化产物的组成不是固定的，和水固比、温硅酸三钙的水化产物的组成不是固定的，和水固比、温度、有无异离子参与等水化条件都有关。在常温下，水度、有无异离子参与等水化条件都有关。在常温下，水固比减小，将使水化硅酸钙的固比减小，将使水化硅酸钙的C/SC/S提高。（图提高。（图1 1）水化硅酸钙的组成随水化反应的进程而改变，其水化硅酸钙的组成随水化反应的进程而改变，其C/SC/S随随龄期的增长而下降。龄期的增长而下降。水化硅酸钙统称为水化硅酸钙统称为C-S-HC-S-H凝胶或凝胶或C-S-HC-S-H。一般所测得的。一般所测得的C/SC/S比平均值通常变动于比平均值通常变动
10、于之间。之间。（一）（一）钙硅比钙硅比胶体胶体晶体晶体 水化硅酸钙凝胶，呈纤维状，称托贝水化硅酸钙凝胶，呈纤维状，称托贝 莫莱石凝胶，约占总体积的莫莱石凝胶，约占总体积的50%50%；水化铁酸钙或水化铁酸钙或或水化铁铝酸钙或水化铁铝酸钙Ca(OH)Ca(OH)2 2 六方片状晶体，约占总体积的六方片状晶体，约占总体积的25%25%；水化铝酸钙：六方板状晶体水化铝酸钙：六方板状晶体高硫型高硫型3 3CaOCaO AlAl2 2O O3 3 3232CaSOCaSO4 4 32 32H H2 2O O（钙钒石）（钙钒石）为针状或杆状晶体为针状或杆状晶体低硫型低硫型3 3CaOCaO AlAl2 2
11、O O3 3 CaSOCaSO4 4 12 12H H2 2O O（二）硅酸盐水泥水化产物的组成与结构（二）硅酸盐水泥水化产物的组成与结构四、水泥石的亚微观结构及强度四、水泥石的亚微观结构及强度 C-S-H凝胶的化学组成是不固定的，凝胶的化学组成是不固定的，C/S和水硅比在和水硅比在较大范围内变动，还存在较大范围内变动，还存在Al 3+、Fe3+、SO-4等离子。等离子。C-S-H有很大的比表面积，因为凝胶中有大量的孔存有很大的比表面积，因为凝胶中有大量的孔存在；在；C-S-H结晶程度极差；结晶程度极差；C-S-H凝胶凝胶是由不同聚合度的硅酸根与钙离子组成的是由不同聚合度的硅酸根与钙离子组成的
12、水化物。单聚物占水化物。单聚物占22%-30%，三聚物和四聚物很少，三聚物和四聚物很少，其他多聚物达其他多聚物达44%-51%。1、水化硅酸钙的化学组成与结构水化硅酸钙的化学组成与结构 C-S-H凝胶的形貌凝胶的形貌（P90图图2-2-7-5、6、7、8）型型C-S-H：为纤维状粒子：为纤维状粒子 型型C-S-H：呈网络状粒子：呈网络状粒子 型型C-S-H：等大粒子：等大粒子 型型C-S-H：外观呈皱纹状：外观呈皱纹状1、水化硅酸钙的化学组成与结构水化硅酸钙的化学组成与结构2、氢氧化钙结晶相的组成与结构、氢氧化钙结晶相的组成与结构u 具有固定的化学组成，具有固定的化学组成，纯度较高，属三方晶系
13、。纯度较高，属三方晶系。其晶体构造属于层状。其晶体构造属于层状。其层状构造为彼此连接其层状构造为彼此连接的八面体，结构层内为的八面体，结构层内为离子键。为片状形态。离子键。为片状形态。钙钒石钙钒石属三方晶系，为柱状结构。见图属三方晶系，为柱状结构。见图2-2-7-12.单硫盐（单硫盐（AFm相相)属三方晶系，呈层状结构，为六方板状结构。属三方晶系，呈层状结构，为六方板状结构。见图见图2-2-7-13。3、钙钒石和、钙钒石和AFm的组成与结构的组成与结构（三）水泥石的亚微观结构（三）水泥石的亚微观结构水泥石的组成水泥石的组成 。水泥凝胶水泥凝胶水化硅酸水化硅酸钙凝胶钙凝胶Ca(OH)2晶体晶体,
14、1m毛细管腔毛细管腔未水化的水未水化的水泥核心泥核心网络结构网络结构28%凝胶孔凝胶孔15-30埃埃,具有渗透性，具有渗透性，渗透系数为渗透系数为10-14cm/s占水泥凝占水泥凝胶的胶的1/6-1/51cm3绝对体积的水泥绝对体积的水泥生成生成2 cm3多的水泥多的水泥凝胶凝胶 水泥石的含量约占总体积水泥石的含量约占总体积的的1/4，水泥石的亚微观结水泥石的亚微观结构对水泥石和混凝土许多性构对水泥石和混凝土许多性能能有很大的有很大的影响。影响。凝胶孔的孔隙率与水灰比凝胶孔的孔隙率与水灰比和水化进展无关。和水化进展无关。（三）水泥石的亚微观结构（三）水泥石的亚微观结构黑点黑点凝胶粒子；凝胶粒子
15、；c-毛细孔，毛细孔，1.3微米微米l水泥石的孔结构水泥石的孔结构l胶孔比胶孔比l水泥石中的水水泥石中的水（三）水泥石的亚微观结构（三）水泥石的亚微观结构1、水泥石的孔结构、水泥石的孔结构（1）水泥石孔的分类）水泥石孔的分类（2）孔作用）孔作用（3）水泥石的内比表面积）水泥石的内比表面积（4）水泥石孔分布测定）水泥石孔分布测定 (5)影响水泥石孔分布的因素影响水泥石孔分布的因素（1）水泥石孔的分类）水泥石孔的分类水泥石孔的特点水泥石孔的特点 分布范围广：分布范围广：0.005m10m 存在形式：存在形式：A.水泥水化物占有的空间中。水泥水化物占有的空间中。B.C-S-H凝胶粒子内部。凝胶粒子内
16、部。凝胶孔尺寸细小，用扫描电镜也难也分辨。凝胶孔尺寸细小，用扫描电镜也难也分辨。鲍维尔斯等人观点鲍维尔斯等人观点：凝胶粒子的直径约为凝胶粒子的直径约为10010-10m左左右，右，其中其中28%的胶孔，的胶孔，孔尺孔尺寸寸(1530)10-10m。弗尔德曼观点弗尔德曼观点：存在层间孔，存在层间孔，水力半径在水力半径在(0.952.78)10-10m之间。之间。IO.M.IO.M.布特等人对水泥石孔径的分类：布特等人对水泥石孔径的分类：布特等人对水泥石孔径的分类：布特等人对水泥石孔径的分类：凝胶孔凝胶孔【104 10-10m】（1）水泥石孔的分类）水泥石孔的分类日日 近藤连一、大门正机观点：近藤
17、连一、大门正机观点：提出了提出了C-S-H凝胶孔凝胶孔结构模型：结构模型：1231-凝胶颗粒；2-窄通道；3-胶粒间孔；4-窄通道、5、微晶间孔；6-单层水；7-微晶内孔7654（1）水泥石孔的分类）水泥石孔的分类Jawed对水泥石孔径的分类对水泥石孔径的分类P.K.Metha 实验结果：实验结果：小于小于13201010-10-10mm的孔的孔的孔的孔对混凝土的强度和渗透性没有什么影响，将孔分为对混凝土的强度和渗透性没有什么影响，将孔分为对混凝土的强度和渗透性没有什么影响，将孔分为对混凝土的强度和渗透性没有什么影响，将孔分为四级：四级：四级：四级：小于小于451010-10-10mm (45
18、500)(45500)1010-10-10mm (5001000)(5001000)1010-10-100m0m 大于大于大于大于100010001010-10-10mm(1)水泥石孔的分类水泥石孔的分类(4)水泥石孔分布测定水泥石孔分布测定u 汞压力法汞压力法-15-1510-10 m-100mu 等温吸附法等温吸附法-(22-45)-(22-45)10-10 m u X X射线小角度散射法射线小角度散射法-20-300-20-300 10-10 m（5）影响水泥石孔分布的因素）影响水泥石孔分布的因素u 水化龄期水化龄期u水灰比水灰比u水泥石的矿物组成水泥石的矿物组成u养护制度养护制度 u外
19、加剂等外加剂等2、胶空比、胶空比定义定义 水泥凝胶的体积对水泥凝胶和毛细管腔两者体积之水泥凝胶的体积对水泥凝胶和毛细管腔两者体积之和的比值。和的比值。水泥抗压强度与胶空比之间的关系水泥抗压强度与胶空比之间的关系 水泥抗压强度水泥抗压强度:f=Axn 式中式中:x胶空比胶空比 n 常数，取决于水泥的特性，在之间。常数，取决于水泥的特性，在之间。A 代表水泥的固有强度在代表水泥的固有强度在2000-3000Kg/cm22、胶空比、胶空比假定假定1cm3绝对体积的水泥，生成绝对体积的水泥，生成2.06cm3体积的水泥凝体积的水泥凝胶。设：胶。设：c=水泥质量水泥质量 vc=水泥比容水泥比容 w0=混
20、合水的体积混合水的体积 =已水化水泥的份数已水化水泥的份数则水泥凝胶的体积则水泥凝胶的体积=2.06 c vc ，可用于水泥凝胶填充的空可用于水泥凝胶填充的空间总体积间总体积=c vc +w0 因此胶空比为：因此胶空比为：2、胶空比、胶空比如vc=0.319 cm3/g,则则:如有如有a cm3体积的空气存在，则在式中体积的空气存在，则在式中w0/c用（用（w0+a）/c 代替即可代替即可。由由于于x变变动动在在0-1之之间间，根根据据上上式式水水泥泥石石的的强强度度不不能能超超过过A。当当x=1，水泥石的强度却随着水泥含量的增加而增大，这，水泥石的强度却随着水泥含量的增加而增大，这时，水泥石
21、中甚至还存在着未水化的的水泥。这可能是由于时，水泥石中甚至还存在着未水化的的水泥。这可能是由于 在未水化水泥粒子表面包裹的水泥凝胶层较薄的缘故。在未水化水泥粒子表面包裹的水泥凝胶层较薄的缘故。3、水泥石中的水及其形态、水泥石中的水及其形态分类分类 吸附水吸附水自由水自由水结晶水结晶水强结晶水强结晶水弱结晶水弱结晶水凝胶水凝胶水毛细孔水毛细孔水层间水层间水沸石水沸石水T.C鲍威斯观点：鲍威斯观点：蒸发水蒸发水非蒸发水非蒸发水一般分类：一般分类：l 强度理论强度理论l 水泥凝胶产生强度的原因水泥凝胶产生强度的原因l 变形变形l 耐久性耐久性（四）水泥石的工程性质（四）水泥石的工程性质1、强度理论、
22、强度理论 脆性材料断裂理论脆性材料断裂理论 结晶理论结晶理论 孔隙率理论孔隙率理论 其他其他 （1）脆性材料断裂理论）脆性材料断裂理论u 内容：内容：水泥石的强度主要取决于水泥石的弹性模量、表面水泥石的强度主要取决于水泥石的弹性模量、表面能以及裂缝大小，其抗断裂的能力可用葛里菲斯公能以及裂缝大小，其抗断裂的能力可用葛里菲斯公式来表述。式来表述。u公式：公式：=(2E/C)=(2E/C)式中：式中：断裂应力断裂应力 EE弹性模量弹性模量 单位面积的材料表面能单位面积的材料表面能 CC裂缝长度裂缝长度（2 2）结晶理论）结晶理论 内容：内容：硬化水泥浆体是由钙钒石的针状晶体和多种形貌的硬化水泥浆体
23、是由钙钒石的针状晶体和多种形貌的C-S-HC-S-H、以、以及六方板状的氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在及六方板状的氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起构成，它们密集连生交叉结合、接触，形成牢固的结晶一起构成，它们密集连生交叉结合、接触，形成牢固的结晶结构网。水泥石的强度主要决定于结晶结构网中接触点的强结构网。水泥石的强度主要决定于结晶结构网中接触点的强度与数量。度与数量。公式：（公式：（A.A.巴拉克曾提出巴拉克曾提出）f f=F F式中：式中：f f水泥石多孔体的强度水泥石多孔体的强度 结晶接触点的强度结晶接触点的强度 F F断裂面上结晶接触点的面积断裂面上结晶接触点的面积
24、 内容：内容：水泥石的强度发展决定于孔隙率，或者说决定于水化生成物充水泥石的强度发展决定于孔隙率，或者说决定于水化生成物充满原始充水空间的程度。满原始充水空间的程度。公式：公式：T.C鲍威斯建立的水泥石强度与胶空比的关系如下鲍威斯建立的水泥石强度与胶空比的关系如下：f=AXAn 式中：式中：f水泥石抗压强度水泥石抗压强度 A、n经验常数，与水泥石熟料矿物组成有关经验常数，与水泥石熟料矿物组成有关 XA水化水泥在水泥石体积中填充的程度水化水泥在水泥石体积中填充的程度,介于介于01之间。之间。（3）孔隙率理论）孔隙率理论近年来不少学者相继提出以下强度与水泥石孔隙率的近年来不少学者相继提出以下强度与
25、水泥石孔隙率的半经验公式：半经验公式：=0(1-P)B =0exp(-CP)=D.ln(P0/P)=0(1-E.P)式中：式中：水泥石抗压强度水泥石抗压强度 0水泥石假想能达到的最大抗压强度水泥石假想能达到的最大抗压强度 P孔隙率孔隙率 P0最大孔隙率，即孔隙率为最大孔隙率，即孔隙率为 P0时，强度值为时，强度值为0 B,C,D,E均为常数。均为常数。（4）其他理论）其他理论2、水泥凝胶产生强度的原因、水泥凝胶产生强度的原因 第一种类型第一种类型物理吸引物理吸引 水泥凝胶的比表面积约水泥凝胶的比表面积约2020万万m m2 2/kg,/kg,胶粒间距很小，约胶粒间距很小，约15-3015-30
26、埃。通常把这种现象归于范德华力。埃。通常把这种现象归于范德华力。第二种类型第二种类型化学键化学键 这种结合较范德华力强的多。但化学键仅在胶粒的一小这种结合较范德华力强的多。但化学键仅在胶粒的一小部分界面上发生。部分界面上发生。注意：注意：象水泥凝胶这样大的比表面积，并不是产生高强象水泥凝胶这样大的比表面积，并不是产生高强的必要条件。不能对物理和化学的两种结合分出主次，的必要条件。不能对物理和化学的两种结合分出主次，但是两者对水泥石的强度起着相当大的作用，这是无疑但是两者对水泥石的强度起着相当大的作用，这是无疑的的。（二）（二）变形变形1、弹性模量、弹性模量 2、收缩变形、收缩变形3、徐变、徐变
27、（三）耐久性（三）耐久性抗冻性抗冻性抗渗性抗渗性抗化学侵蚀性抗化学侵蚀性六、过渡区结构六、过渡区结构l 研究背景研究背景l 过渡区结构过渡区结构l 过渡区强度过渡区强度（一）研究背景（一）研究背景混凝土的拉伸破坏为何呈脆性混凝土的拉伸破坏为何呈脆性?而压缩破坏时为何具有而压缩破坏时为何具有一定的弹塑性一定的弹塑性?混凝土各组分材料当分别以单轴压力试验时，直到破坏混凝土各组分材料当分别以单轴压力试验时，直到破坏都保持弹性，而为何混凝土却表现为非完全弹性行为都保持弹性，而为何混凝土却表现为非完全弹性行为?混凝土的抗压强度为何能较其抗拉强度高一个数量级混凝土的抗压强度为何能较其抗拉强度高一个数量级?
28、水泥用量、水灰比和水化龄期均相同，为何水泥砂浆的水泥用量、水灰比和水化龄期均相同，为何水泥砂浆的强度比混凝土高强度比混凝土高?为何混凝土的抗渗性比相应的水泥浆体低一个数量级为何混凝土的抗渗性比相应的水泥浆体低一个数量级?混凝土暴露在火中，为何弹性模量的降低比抗压强度要混凝土暴露在火中，为何弹性模量的降低比抗压强度要快得多？快得多？（二）过渡区结构（二）过渡区结构1、过渡区成因、过渡区成因2、过渡区模型、过渡区模型3、界面过渡区特点、界面过渡区特点1、过渡区成因、过渡区成因首先，贴近粗集料表面的水灰比大于混凝土的本首先，贴近粗集料表面的水灰比大于混凝土的本体体其结果孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多。
29、其结果孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多。其次，水灰比值高，结晶约束小，此处所形成的其次，水灰比值高，结晶约束小，此处所形成的结晶产物的晶体尺寸大。结晶产物的晶体尺寸大。再次，板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，再次，板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，以其以其C轴垂直于粗集料的表面。轴垂直于粗集料的表面。2.过渡区模型过渡区模型3.界面过渡区特点界面过渡区特点u 局部水灰比高；局部水灰比高；u 孔隙率大；孔隙率大；u CH及及 多；多；u 及晶粒粒径大；及晶粒粒径大；u CH取向性生长。取向性生长。(三三)过渡区强度过渡区强度1 1影响因素影响因素 孔的体积和孔径大小；孔的体积和孔径大小；氢氧
30、化钙晶体的大小与取向层；氢氧化钙晶体的大小与取向层；存在的微裂缝存在的微裂缝。过渡区的孔的体积和孔径均比砂浆基体大过渡区的孔的体积和孔径均比砂浆基体大 强度低强度低大的氢氧化钙晶体表面积小，范德华力弱大的氢氧化钙晶体表面积小，范德华力弱 粘结力粘结力较小；较小；微裂缝（界面缝）微裂缝（界面缝）强度低强度低(三三)过渡区强度过渡区强度2 2改善措施改善措施采用活性掺料，降低采用活性掺料，降低CHCH尺寸及取向性，增加密实性；尺寸及取向性，增加密实性；降降低低W/CW/C，减减少少骨骨料料下下方方的的充充水水区区域域，也也会会使使CHCH的的尺尺寸减小，取向性差；寸减小，取向性差；减小骨料的粒径，
31、合理的级配以及粗糙表面；减小骨料的粒径，合理的级配以及粗糙表面；加强搅拌，振实，养护等工艺措施。加强搅拌，振实，养护等工艺措施。（四）过渡区对混凝土性能的影响（四）过渡区对混凝土性能的影响过渡区的粘结强度较低，为成混凝土中的薄弱环节。过渡区的粘结强度较低，为成混凝土中的薄弱环节。1强度下降；强度下降；2微裂缝导致混凝土的非弹性破坏；微裂缝导致混凝土的非弹性破坏；3受拉时微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速受拉时微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速 f拉拉f压压；4刚度下降；刚度下降；5耐久性下降。耐久性下降。七、水泥石七、水泥石集料的界面凝结和微裂缝集料的界面凝结和微裂缝 水泥石和集料界面的凝结强度，
32、往往是普通混凝土中最水泥石和集料界面的凝结强度，往往是普通混凝土中最薄弱的环节。特别是在粗集料下侧的孔穴部位，尤为薄薄弱的环节。特别是在粗集料下侧的孔穴部位，尤为薄弱。原因如下：弱。原因如下：1、水泥石和集料界面的凝结，有物理结合和化学结合之、水泥石和集料界面的凝结，有物理结合和化学结合之分。分。物理结合是由于界面间的凝结和机械啮合作用而引起的物理结合是由于界面间的凝结和机械啮合作用而引起的。集料的形状、表面状态和刚度，是物理结合的影响因素。集料的形状、表面状态和刚度，是物理结合的影响因素。用表面粗糙的花岗岩和石灰石集料制成的混凝土，其抗用表面粗糙的花岗岩和石灰石集料制成的混凝土，其抗弯和抗压
33、强度要比表面光滑的卵石制成的高达弯和抗压强度要比表面光滑的卵石制成的高达30%30%。七、水泥石七、水泥石集料的界面凝结和微裂缝集料的界面凝结和微裂缝很多集料会与水泥石发生一定程度的化学反应，很多集料会与水泥石发生一定程度的化学反应，而形成化学结合。根据化学结合的不同，集料而形成化学结合。根据化学结合的不同，集料可以分为两类可以分为两类：（1）在水泥石中形成强接触层，而集料表面层则较其）在水泥石中形成强接触层，而集料表面层则较其内部为弱，如石英石；内部为弱，如石英石；（2）在集料表面和水泥石均形成弱接触层，如许多碳）在集料表面和水泥石均形成弱接触层，如许多碳酸盐岩石。酸盐岩石。七、水泥石七、水
34、泥石集料的界面凝结和微裂缝集料的界面凝结和微裂缝2、在混凝土中往往在承受荷载之前就已在混凝土中往往在承受荷载之前就已存在着微裂缝。存在着微裂缝。水泥石的收缩是引起微裂缝的主要原因。由水泥石的收缩是引起微裂缝的主要原因。由于在混凝土中存在着集料对水泥石的约束作于在混凝土中存在着集料对水泥石的约束作用，混凝土的收缩一般小于水泥石用，混凝土的收缩一般小于水泥石。八、八、混凝土结构模型混凝土结构模型中心质假说中心质假说吴中伟吴中伟硬化混凝土的硬化混凝土的4 4个结构层次个结构层次黄蕴元黄蕴元（一）中心质假说（一）中心质假说1、中心质假说内容；、中心质假说内容；2、结构模型；、结构模型；3、混凝土的理想
35、结构模型；、混凝土的理想结构模型；4、中心质网络化、界面区组成结构和中心质效应的含义、中心质网络化、界面区组成结构和中心质效应的含义与作用；与作用；5、负中心质对混凝土结构及性能的影响；、负中心质对混凝土结构及性能的影响；6、负中心质种类、负中心质种类1、中心质假说内容、中心质假说内容5050年代，由吴中伟教授提出。年代，由吴中伟教授提出。混凝土是由各级分散相分散在各级连续相中而组成的多混凝土是由各级分散相分散在各级连续相中而组成的多相聚集体。中心质假说将各级分散相命名为中心质，将相聚集体。中心质假说将各级分散相命名为中心质，将各级连续相命名为介质。中心质与介质根据尺度各分为各级连续相命名为介
36、质。中心质与介质根据尺度各分为大、次、微大、次、微3 3个层次个层次：大中心质大中心质：包含各种集料、掺合料、增强材料、长期残包含各种集料、掺合料、增强材料、长期残存的未水化的水泥熟料存的未水化的水泥熟料。次中心质次中心质：是粒度小于是粒度小于10m10m的水泥熟料粒子，属于过渡的水泥熟料粒子，属于过渡相组分。相组分。微中心质微中心质：是水泥水化后生成的各种晶体，是水泥水化后生成的各种晶体，包括包括、型型C-S-HC-S-H纤维状和网状结晶。纤维状和网状结晶。1、中心质假说内容、中心质假说内容大介质大介质：是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜层层。次
37、介质次介质：是次中心质所分散成的连续相，其中有水化层是次中心质所分散成的连续相，其中有水化层。微介质微介质：是微中心质所分散成的连续相。是微中心质所分散成的连续相。、型型C-S-C-S-H H、尺寸较小的不规则形的粒子与结构水及吸附水均可、尺寸较小的不规则形的粒子与结构水及吸附水均可视为该级的连续相。视为该级的连续相。负中心质负中心质P：包含孔、缝这种特殊的分散相。包含孔、缝这种特殊的分散相。在在3 3个层次的中心质与介质间均有各自的界面区，即界个层次的中心质与介质间均有各自的界面区，即界面面、。2、混凝土的结构模型、混凝土的结构模型集料、增强材料（钢筋，纤维）熟料、混合材水溶性聚合物物）水空
38、气粗粒残渣细粒活性与离解部分非胶体结合水毛细水胶体微中心质微介质次中心质次介质大介质大中心质大中心质P层次层次层次3、混凝土的理想结构模型、混凝土的理想结构模型1 1、各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）分散在各级介质（连续相）之中。分散在各级介质（连续相）之中。在中心质与介质间存在着在中心质与介质间存在着过渡区的界面，是渐变的非匀质的过渡结构。结构组成的排列顺过渡区的界面，是渐变的非匀质的过渡结构。结构组成的排列顺序为中心质序为中心质界面区界面区介质。介质。2 2、网络化是中心质的特征。网络化是中心质的特征。各层次的中心质网络构
39、成水泥基材各层次的中心质网络构成水泥基材料的骨架。各级介质填充于各级中心质网络之间。强化网络骨架料的骨架。各级介质填充于各级中心质网络之间。强化网络骨架是提高水泥基材料性能的一个必要条件。是提高水泥基材料性能的一个必要条件。3 3、界面区保证着中心质与介质的连续性界面区保证着中心质与介质的连续性。因此，界面区的优因此，界面区的优劣决定了水泥基材料的强度、韧性、耐久性、整体性与均匀性的劣决定了水泥基材料的强度、韧性、耐久性、整体性与均匀性的优劣。界面区不应是水泥基材料的薄弱部分，因为它的作用是将优劣。界面区不应是水泥基材料的薄弱部分，因为它的作用是将中心质的某些性能传给介质，应是有利于网络结构的
40、形成和中心中心质的某些性能传给介质，应是有利于网络结构的形成和中心质效应的发挥。强化界面区是提高水泥基材料性能的又一个必要质效应的发挥。强化界面区是提高水泥基材料性能的又一个必要条件。条件。3、混凝土的理想结构模型、混凝土的理想结构模型 4 4、各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级、各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级介质中，因此也是中心质。介质中，因此也是中心质。尺度较大的孔（毛细孔）尺度较大的孔（毛细孔）对强度等性能不利对强度等性能不利。也不参加构成网络。因此，对也不参加构成网络。因此，对其尺度与含量应加以限制。但是，它在水泥基材料中其尺度与含量应加以限制。但是，它在水泥基材料
41、中还其中补给水分与提供水化物空间的有利作用。还其中补给水分与提供水化物空间的有利作用。孔的有利作用过去很少提及，但吴中伟教授对此一直孔的有利作用过去很少提及，但吴中伟教授对此一直很重视，认为孔在水泥基材料中的存在，除有利于水很重视，认为孔在水泥基材料中的存在，除有利于水化外，今后在研究开发轻质、高强、提高抗渗与耐久化外，今后在研究开发轻质、高强、提高抗渗与耐久性）时，应加强并深化对孔的研究。性）时，应加强并深化对孔的研究。4、中心质网络化、界面区组成结构、中心质网络化、界面区组成结构和中心质效应的含义与作用和中心质效应的含义与作用（1）中心质网络化中心质网络化 中心质网络化不仅包括各种金属增强
42、材料与金属增强网片中心质网络化不仅包括各种金属增强材料与金属增强网片在水泥基材料中形成的大中心质网络骨架，还有不同尺在水泥基材料中形成的大中心质网络骨架，还有不同尺度、不同性质的纤维增强材料在水泥基材料中形成的大度、不同性质的纤维增强材料在水泥基材料中形成的大中心质与次中心质网络；聚合物在混凝土中所形成的次中心质与次中心质网络；聚合物在混凝土中所形成的次中心质网络；中心质网络；MDFMDF（无宏观缺馅）材料中大量未水化水泥（无宏观缺馅）材料中大量未水化水泥熟料粒子间充满的聚合物与水化反应生成的相互交错的熟料粒子间充满的聚合物与水化反应生成的相互交错的网络物所形成的次中心质与微中心质网络；网络物
43、所形成的次中心质与微中心质网络；（1）中心质网络化中心质网络化 聚合物水泥熟料粒子间充满的聚合物与水化反聚合物水泥熟料粒子间充满的聚合物与水化反应生成的相互交错的网络物所形成的次中心质应生成的相互交错的网络物所形成的次中心质与微中心质网络；聚合物与水泥两项间的化学与微中心质网络；聚合物与水泥两项间的化学键和作用形成的两项互穿网络结构而成为次中键和作用形成的两项互穿网络结构而成为次中心质与为中心质网络以及各种水化产物形成的心质与为中心质网络以及各种水化产物形成的针、柱状结晶相互组成的微中心质网络。针、柱状结晶相互组成的微中心质网络。（2）界面区组成结构）界面区组成结构 界面区通过强化，能够具有比
44、介质更好的物理力学性界面区通过强化，能够具有比介质更好的物理力学性能。因此，强化界面区是提高水泥基材料各种性能的能。因此，强化界面区是提高水泥基材料各种性能的关键。关键。当今人们对界面区的认识，总是认为界面区是当今人们对界面区的认识，总是认为界面区是薄弱环节，总是研究如何减少或削弱其影响。而从中薄弱环节，总是研究如何减少或削弱其影响。而从中心质假说的观点，吴中伟教授提出：通过界面化学结心质假说的观点，吴中伟教授提出：通过界面化学结合作用与中心质效应叠加作用，能够强化界面结构，合作用与中心质效应叠加作用，能够强化界面结构，从而提高水泥基材料的均匀性与整体性。认为在这方从而提高水泥基材料的均匀性与
45、整体性。认为在这方面具有很大的潜力，应深入地研究中心质效应，不仅面具有很大的潜力，应深入地研究中心质效应，不仅界面区本身可以形成网络，还可设想通过中心质效应界面区本身可以形成网络，还可设想通过中心质效应来建立来建立中心质的网络中心质的网络。（3）中心质效应）中心质效应在中心质假说中提出了在中心质假说中提出了中心质效应中心质效应的概念。因为大中心的概念。因为大中心质效应对这个体系的形成、发展与与性能起着重要的作质效应对这个体系的形成、发展与与性能起着重要的作用，她能够改善大介质的某些性能，使在效应范围内的用，她能够改善大介质的某些性能，使在效应范围内的大介质得到强化，如强度、密实度等都得到十分显
46、著的大介质得到强化，如强度、密实度等都得到十分显著的提高。中心质效应与界面区有密切的关系，薄弱的界面提高。中心质效应与界面区有密切的关系，薄弱的界面区会阻断或削弱中心质效应的发挥。界面区性能越好，区会阻断或削弱中心质效应的发挥。界面区性能越好，中心质效应愈能得到发挥，使有效效应距（效应半径）中心质效应愈能得到发挥，使有效效应距（效应半径）能增大，效应的叠加作用也能得到加强，对中心质的网能增大，效应的叠加作用也能得到加强，对中心质的网络化也有利。络化也有利。当中心质间距小于有效效应距时，由于效应圈互相叠加，当中心质间距小于有效效应距时，由于效应圈互相叠加，就能产生效益叠加作用，使界面得到进一步强
47、化，并使就能产生效益叠加作用，使界面得到进一步强化，并使水泥基材料的有关性能得到显著提高。水泥基材料的有关性能得到显著提高。中心质效应三要素中心质效应三要素（1）效应程度）效应程度：反映界面处效应的大小，主要取决反映界面处效应的大小，主要取决于中心质的表面物理、化学性能与变形性能等。于中心质的表面物理、化学性能与变形性能等。（2）效应梯度）效应梯度r：反映效应程度随界面距而变化（递减）反映效应程度随界面距而变化（递减）的梯度，主要取决于界面区性质的优劣。的梯度，主要取决于界面区性质的优劣。（3）有效效应距）有效效应距X：反映中心质效应能明显达到介质的反映中心质效应能明显达到介质的有效范围。有效
48、范围。4、负中心质对混凝土结构、负中心质对混凝土结构及性能的影响及性能的影响u 负作用负作用 吴中伟教授认为：在混凝土结构中所必然存在的吴中伟教授认为：在混凝土结构中所必然存在的作为特殊分散相的孔、缝不仅是混凝土结构的缺作为特殊分散相的孔、缝不仅是混凝土结构的缺陷，当混凝土中的孔、缝额尺度超过一定范围时，陷，当混凝土中的孔、缝额尺度超过一定范围时，对混凝土的许多性能，强度、刚度、变形性能等对混凝土的许多性能，强度、刚度、变形性能等力学行为及抗渗、抗冻、耐蚀等耐久性，起负作力学行为及抗渗、抗冻、耐蚀等耐久性，起负作用用。4、负中心质对混凝土结构、负中心质对混凝土结构及性能的影响及性能的影响u积极
49、作用积极作用（1 1）孔、缝能为水泥的继续水化提供水源及供水通道，）孔、缝能为水泥的继续水化提供水源及供水通道，又可成为水化产物生长的场所，为混凝土结构及性又可成为水化产物生长的场所，为混凝土结构及性能的发展创造条件。能的发展创造条件。（2）由于混凝土中形成了各种中心质的网络骨架，所由于混凝土中形成了各种中心质的网络骨架，所以荷载、干湿、温度等外界因素的作用，并非完全以荷载、干湿、温度等外界因素的作用，并非完全反映为外形体积的变化，而可能更多地反映在孔、反映为外形体积的变化，而可能更多地反映在孔、缝的变化。缝的变化。4、负中心质对混凝土结构及性能的影响、负中心质对混凝土结构及性能的影响（3 3
50、）尺寸较小的孔、缝，不但对混凝土的某些性能如）尺寸较小的孔、缝，不但对混凝土的某些性能如强度、在一定水压下的抗渗性无害，而且对轻质、隔强度、在一定水压下的抗渗性无害，而且对轻质、隔热及抗冻性还有一定的变化。热及抗冻性还有一定的变化。（4 4）可利用孔、缝网络来改善混凝土结构、如用聚合）可利用孔、缝网络来改善混凝土结构、如用聚合物浸渍形成大中心质网络物浸渍形成大中心质网络。注意注意：凝胶微晶间孔与内孔不属于负中心质，而应：凝胶微晶间孔与内孔不属于负中心质，而应归属于微介质。归属于微介质。5、负中心质种类、负中心质种类负中心质按其形成及发展过程，分为原生孔缝和次生孔负中心质按其形成及发展过程，分为