混凝土的结构与性能过渡区内容

二、 混凝土的结构与性能 为了便于认识粉煤灰在混凝土中的作用，先来看看混凝土的结构和性能之间的关系。混凝土是由大小不同的颗粒所组成的，大颗粒粗骨料的空隙由中小颗粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料颗粒的空隙由细骨料（砂子）填充，它的颗粒也是有粗有细，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙；水泥浆则填充粗细骨料堆积体的大小空隙，并包裹它们形成一层润滑层，使新拌混凝土（也称拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密实。硬化混凝土是一种复杂的、多相的复合材料，它的结构主要包括三个相——骨料、硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区，说它复杂是因为它很不匀质，主要体现在以下几方面： 第一，过渡区的存在。过渡区是围绕骨料颗粒周边的一层薄壳，厚度约10～50μm。由于它的薄弱，对混凝土性能的影响十分显著；第二，三相中的任一相，本身实际上还是多相体。例如一颗花岗岩的骨料里除了有微裂缝、孔隙外，还不均匀地镶嵌着石英、长石和云母三种矿物。石英很硬，而云母就很软；第三，与其他工程材料不同，混凝土结构中的两相——硬化水泥浆体和过渡区是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。 先谈骨料相。通常在为混凝土选择骨料时，首先注意的是它的颗粒强度，也就是说：它越坚硬越好。事实上，由于骨料的强度通常比其他两相的高很多，因此它对混凝土的强度并没有直接的影响。但是它们的粒径和形状间接地影响混凝土强度：当骨料最大粒径越大、针片状颗粒越多时，其表面积存的水膜越厚，过渡区相就越薄弱，硬化混凝土的强度和抗渗透性也越差。所以，质量好的骨料应该是颗粒形状均匀、级配好，堆积密实度高，所需要的浆体用量少。许多路面板之所以不耐久，骨料质量差，尤其缺乏5~10mm粒径的颗粒，因此传荷能力和抗冲击与疲劳能力受到严重影响是重要的原因。 再谈硬化水泥浆体（也称水泥石）。在配制混凝土选用水泥时，都认为标号越高的水泥就越好。事实上，高标号水泥因为通常粉磨得越细，在拌合时往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙，多余的水分蒸发后也会形成更多的孔隙，对混凝土的强度和耐久性不利。但是，这样的水泥水化反应快，因此用它配制的混凝土早期强度高，这是它受欢迎，售价高的原因。 试验表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的渗透性也要比相应的水泥浆体低一个数量级。这说明：混凝土体的渗透性并不直接取决硬化水泥浆体的渗透性，那么更主要的影响来自哪里呢？答案只能是：来自过渡区。刚浇筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料颗粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥浆则由于密度小的原因向上迁移，它们之间的相对运动使骨料颗粒的周壁形成一层稀浆膜，待混凝土硬化后，这里就形成了过渡区。过渡区微结构的特点为：1）富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石；2）孔隙率大、大孔径的孔多；3）存在大量原生微裂缝，即混凝土未承载之前出现的裂缝。 因为过渡区的影响，使混凝土在比它两个主要相能够承受的应力低得多的时候就被破坏；由于过渡区大量孔隙和微裂缝存在，所以虽然硬化水泥浆体和骨料两相的刚性很大，但受它们之间传递应力作用的过渡区影响，混凝土的刚性和弹性模量明显地减小。 过渡区的特性对混凝土的耐久性影响也很显著。因为硬化水泥浆体和骨料两相在弹性模量、线胀系数等参数上的差异，在反复的荷载、冷热循环与干湿循环作用下，过渡区作为薄弱环节，在较低的拉应力作用下其裂缝就会逐渐扩展，使外界水分和侵蚀性离子易于进入，对混凝土及钢筋产生侵蚀作用。 摘要：无论是已建工程的加固、修补还是工程新建中经常碰到在已硬化的混凝土上或已凿除劣化、酥松部分露出坚实的混凝土基层上浇筑新混凝土或砂浆的问题，象梁、板、柱的加大截面加固、水工结构中老的坝体加高、剪力墙施工缝、叠合梁的施工等等，涉及到新旧混凝土能否结合为整体共同工作，非凡是构件中承受很大剪力和拉力部位的加固。新旧混凝土的结合面是一个薄弱环节，其界面粘结强度一般都低于整浇混凝土的强度，极大地影响了结构的可靠性。此外还有大量的混凝土结构物、构筑物因混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环而造成混凝土剥蚀破坏等的修补，这类不以承受荷载为主的表面、面层的修补，主要是满足抗渗、抗碳化、抗冻融性、耐腐蚀性等要求以增强结构的耐久性，它们也要求与基层混凝土具有良好的粘结力，这是达到修补目的的必要条件。处于恶劣的自然环境下工程的修补由于修补材料粘结力过低而导致修补失败的例子很多，原因之一就是修补材料与基层混凝土之间的粘结力不足以反抗各种因素在新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致修补失败。

关键词：现场施工事故处理 1问题的提出 人们对新旧混凝土结合面的粘结强度达不到相应整浇混凝土的强度的原因还不十分清楚，需要探索。显然，对于新旧混凝土粘结问题的根本解决需要从混凝土材料微观结构的角度阐明其粘结机理，建立微观结构的分析和宏观力学性能之间的联系，将有助于我们从本质上熟悉新旧混凝土粘结问题，从而找到解决问题的途径。

2成因的探讨 以亚微观层次而论，混凝土可视为由粗细骨料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料。以微观层次而论，则显示出混凝土结构的复杂性，混凝土结构的两相组成，既不是彼此均匀分布，而两相体本身组成也不均匀，象硬化混凝土中某些区域是致密的，如骨料；而另外一些区域是高度多孔的。在贴近大颗粒骨料表面硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构差别很大。事实上，在荷载作用下混凝土力学行为的许多方面只能将水泥浆－骨料界面视为混凝土结构的第三相才能作出合理的解释。第三相，即界面区相，或称为过渡区相，代表着粗骨料与硬化水泥浆体的过渡区，过渡区围绕大骨科四周存在一层薄层，厚约10～50μm，通常比混凝土的其它两相组成要弱，因此，界面区对混凝土力学行为的影响很大，界面的结构与界面的力学性能有密切的关系，现在比较一致的看法是硬化水泥浆与骨料之间存在过渡区，对于过渡区人们提出了几种模型，这里不详述。首先我们大致了解一下界面过渡区的组成及结构。 2。1界面过渡区的组成 界面区中主要存在有C—S—H凝胶（水化硅酸钙）、C—H晶体〔Ca（OH）2〕、AFt（钙矾石）和未水化的熟料颗粒及孔洞、裂缝。界面区中C—H晶体数量多而且晶体尺寸较大，同时界面区中孔洞较多时，对界面粘结将产生不利影响。

2。2界面过渡区形成机理 马索〔1〕提出界面过渡区形成机理的假说。他认为在混凝土拌和过程中，在骨料表面形成一层几个微米厚的水膜，而无水水泥的分布密度在紧贴骨料处几乎为零，然后随着距离增大而增高。所以在这层水膜中可以认为基本上不存在水泥颗粒。当水泥化合物溶解于水之后，溶解的离子即扩散进入这层水膜。假如是不溶性骨料，水膜中的离子全部来自水泥熟料及石膏。但如骨料是部分可溶性的，则骨料所溶出的离子在骨料表面密度最大。

由于骨料总会有部分离子析出，在靠近骨料表面处浓度最高，以后有一明显缺陷处，即低离子浓度区。因此，在这层水膜内，最先形成水化产物晶核的是先扩散进入水膜的离子，对普通硅酸盐水泥即是钙矾石和氢氧钙石。

水膜内水化产物晶体是在溶液中形成晶核而长大，由于膜内过饱和度不高，有充分空间让晶体生长，故形成的水化产物晶体尺寸较大，所形成的网状结构较为疏松，以后活动性较差的铝离子、硅离子陆续进入第一批晶体所遗留的空隙中，逐渐形成C—S—H以及尺寸较小的次生钙矾石和氢氧钙石填充其间。马索上述假设中离子浓度分布曲线凹陷处可能形成大晶核及高孔隙率，是界面中的薄弱区。

虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理的了解还不深入，但从破坏过程来看作为混凝土的内部结构，界面过渡区至少具有以下几个方面的特点：（1）界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体中的晶体粗大。（2）界面过渡区中晶体有择优取向。（3）界面过渡区中晶体比水泥浆体中本体具有更大、更多的孔隙。这些特点决定了界面过渡区强度低，轻易引发裂缝，并且裂缝易于传播，从而使界面过渡区成为最薄弱的环节。骨料与基体界面是一个固—液—气三相多孔体，对界面的粘结性能起决定性作用。界面过渡区的性能主要取决于这些组成的性质相对含量及它们之间的相互作用。由于界面过渡区的显著结构是C—H晶体富集并产生取向性，晶体平均尺寸较大，孔隙尺寸和孔隙率均较大，即界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构。虽然决定界面性质的因素很多，但C—H的取向和富集形成薄弱层界面是主要物理化学原因之一，它间接反映了界面层的孔结构和致密性。所以要增强界面区尤其是强化最薄弱层，消除和减小界面层与基体间的差异，必须减少C—H含量，打乱其取向性，降低孔隙率。

界面离子浓度及其分布与水膜层的厚度有关，而水膜层的厚度在很大程度上取决于水灰比的大小，它直接影响界面过渡区的性状和结构。随着水灰比的增大，水膜层变厚，其中离子浓度降低。对硅酸盐水泥而言，水膜层中最先生成的晶体是钙矾石和氢氧钙石，在它们生长过程中，当水灰比大时，将无约束地使晶体不仅生长得很大，而且易于在骨料表面定向排列，使晶体孔隙率增大，并有碍于C—S－H凝胶与骨料的接触，由于离子浓度下降，水化生成的C—S—H凝胶也必然减少，使得凝胶与骨料表面接触点减少。因此，界面形成疏松的网络结构，原始裂缝增多变大，界面粘结强度下降，削弱了界面效应。因此，降低水灰比，减小水膜层，改善过渡区性状，是发挥界面效应的主要措施。

新旧混凝土的界面同样存在类似于整浇混凝土中骨料与水泥石接触的这样一个过渡区，而这恰恰是三相中最弱的界面层。实际上，旧混凝土界面存在露出的骨料和已硬化的水泥石，旧混凝土的界面处可当作骨料部分，同样是骨料与水泥石的接触界面，问题可能比整浇混凝土中骨料与水泥石界面过渡区要复杂，但目前过渡区理论还在探索，在没有定论的情形下，我们不妨简单探讨一下，有助于指导我们从物质微观结构这一层次上熟悉界面粘结问题的本质和影响因素，以采取一定的措施、方法来增强新旧混凝土界面粘结性能。

我们认为在同样的受力条件下，新旧混凝土的结合面比整浇体系中骨料与水泥石界面还要薄弱，可能是以下几方面原因：

（1）新旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区，而这个过渡区本来就是一个薄弱环节。由于旧混凝土的亲水性，修补时会在旧混凝土表面形成水膜，使结合面处新混凝土的局部水灰比高于体系中的水灰比，导致界面钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多，形态变大，形成择优取向，降低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍，新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面，不仅使得新混凝土局部水灰比更高，而且使得气孔和微裂缝在该区富集，显著降低界面强度。这是物质结构化学方面的原因，是影响新旧混凝土结合本质的内因。

（2）界面处露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。我们知道，水泥浆本身具有一定的粘结性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之硬化成坚硬的水泥石。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹，而新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处，是使骨料与界面突出的