J.Xi’an U niv.of Arch.&T ech.

V ol.31　N o.1

M ar.　1999

高性能混凝土微观结构特征及开发应用

尚建丽

(西安建筑科技大学材料工程系,西安,710055;女,42岁,副教授)

摘　要　从材料的微观结构层次上设计和制备新材料是21世纪材料科学技术一个重要课题.分析了高性能混凝土研究现状及实施的要点,探索高性能混凝土微观结构及特征,并开拓配制高性能混凝土的新途径、新技术.

关键词　高性能混凝土;微观结构;新途径

中图分类号　T U528a

Microstructure feature and the application of

high performance concrete

Shang　J ianli

(Dept.of M at er.Eng.,Xi’an U niv.of A r ch.&T ech.,Xi'an,710055)

Abstract　Designing and pro ducing new m aterial fr om micr ostr uctur e o f ma terial is an im pr ota nt subject o n mat erial sci-ence dev elo pment in the21th centur y.In the thesis,a s far as state of the hig h perfo rmance co ncr ete is concerned,mi-cr o st ructure o f high perfo rm ance concret e is resear ched and mor e effectiv e way s and techniques of hig h per for mance ar e dev eloped.

Key words　high p erf or mance concr ete,microstr uctur e,new w ay

高性能混凝土以其优异的流动性、高强性、耐久性被认为是混凝土发展的方向.然而,作为新的技术课题,没有严谨科学的理论基础为依托,新材料的发展必然受到.为此,研究高性能混凝土的思路将进入微观层次,即从高性能混凝土所形成的特点及其微观结构的改善入手,研制开发能符合高性能混凝土所必备的新型组成材料,突破原材料的局限,促进高性能混凝土进一步发展和推广应用.

1　高性能混凝土的微观结构

就宏观层次而论,高性能混凝土可视为骨料分散于水泥浆基体的两相复合材料.就亚微观层次论,高性能混凝土可视为骨料、界面、水泥浆三相复合材料.就微观层次论,高性能混凝土可视为骨料、界面、凝胶、晶体、气孔、液体多相复合材料.因此,研究的问题不同,选择的层次观是不同的.

从两相复合材料入手,可对混凝土作定性分析,如水泥浆的多少、稠稀对混凝土和易性产生不同的影响;骨料的粗细、级配、粒形对混凝土密实度、强度产生相应影响.从三相复合材料入手,可对混凝土作半定量分析,如水灰比偏大导致骨料界面产生裂缝,界面粘结力下降,根据保罗米公式可计算出适宜的水灰比,求出混凝土配合比.然而,高性能混凝土由于组成的特点,各相间依据复杂的物理化学过程而形成,只有从多相复合材料入手分析其作用机理,才能开发出满足不同要求的高性能混凝土.

1.1　高性能水泥浆基体的微观结构

高性能水泥浆内各种相物质的组合构成基体的微观特征:高标号水泥、低水灰比、高效塑化剂、活性掺合料,它们彼此之间相互作用、相互配合,一方面仍遵守水化规律,另一方面则克服了未加外加剂和掺

a　收稿日期:1998-07-10

合料的水泥内部结构中的缺陷,显示了四相物质匹配的合理性,如远程无序的C-S-H 凝胶从近程上看是一些0.1～1.0L m 的微细晶体,靠液膜传递的力和粒子间相互作用,传递荷载.施加拉力时晶体被拉开.但在压力下,主要是微晶破裂,故抗压远大于抗折[1].提高水泥石抗压强度取决于凝胶的数量、质量、形式,这样微观上解释了C-S-H 凝胶的拉压性能有别.由于高标号水泥矿物成分的特点,加之高效塑化剂、水泥水化凝胶的数量保证了凝胶体抗压性能的最大发挥.具有明显结晶性质的CH 是固相结构成分里最复杂的一个产物.从电镜中看,有些可能起到阻止毛细孔开裂的作用.另外,呈六方晶体的CH 其解理面本身非常薄弱,又由于掺合料的作用,抑制了CH 薄弱面.就四相形成的系统而言,除发挥了有利的固相成分作用,控制不利作用外,人们关注的气相结构也发生了质的变化,浆体中晶体和凝胶间构成的微界面及内部微孔被填实,使之成为均匀密实的连续体.正是基于微观结构的这种变化,人们开发研制高性能水泥,用以配制高性能混凝土.已开发的新型水泥有:

M DF 水泥:它是水泥和水溶性聚合物按比例组成的特性水泥[2]

.其作用机理是利用水溶性聚合物使水泥形成悬浮浆体,进而发生聚合物交联、固化并包裹水泥粒子,改善了水泥水化产物晶体与基体界面的性质,增加了水泥浆的韧性,微结构发生的变化表现在CH 细小薄片分散在密实均匀的无定形凝胶中,形成的空间并避免了沿着叠加解理面出现裂缝,大大提高了水泥的抗弯强度.

DSP 水泥:它是水泥、塑化剂、硅粉组成的特性水泥[2].作用机理是利用硅粉以其超细粒子达到活化水泥、细化孔隙、强化界面,微结构发生的变化表现在塑化剂分散水泥粒子,阻碍絮状结构形成,同时硅粉作为晶核,发生水化,产生大量均匀无定形的凝胶,显著增加了抗压强度.

总之,按照高标号水泥和低水灰比达到最佳匹配开发特效外加剂,按照活性微粉的成分、细度设计最佳掺量,以使高性能水泥浆发挥应有的作用[3].

1.2　高性能水泥浆与骨料间过渡层的微观结构

就宏观结构层次论,高性能混凝土是高性能水泥基复合材料,骨料与水泥浆以两相接触形成界面,由于界面的存在将影响高性能复合材料的性能.许多学者对普通混凝土界面的研究做了大量工作,阐述了许多观点,直到1972年,法国G ・Far ran 通过试验发现在方解石骨料周围的水泥浆体中有一晕状的环带,环带中的水化产物密度低于本体中的水化产物密度[3].由此,对界面的认识开始从“面”发展到“环”或“层”的深度被称之为过渡层.对过渡层的认识目前有各种各样的观点,分析起来有一个概括性的模型归纳如下(图

1).

图1　普通混凝土　　图2　高性能混凝土骨料界面骨料界面值得研究的是水泥浆高性能化后过渡层将发生

什么变化呢?图2示出了变化后的模型.由于低水

灰比、高塑化剂、活性微粉的相互匹配,一方面骨料

表层吸附水膜减少,骨料表面孔隙减少;另一方面,

水泥水化相对均匀完整,骨料表面无定向排列的

CH,过渡层区域大大减弱,强化了过渡层与水泥基

体的一致性和均匀性,增加了骨料相、水泥相作用的

协调性和完整性.当混凝土受荷时,由于过渡层性

能得到改善,原来由两相弹性模量差异引起的水泥

相变形,通过增强的过渡层传递到骨料相,逐渐积蓄为一定的弹性应变能,当弹性应变能达到某一程度时,必然释放使裂缝骤然扩展,产生爆裂破坏,这一过程经历了基体受荷的传递、变形能的积蓄、释放,最后以整体爆裂而破坏,与普通混凝土的破坏有本质的区别.

1.3　高性能混凝土骨料的大中心质效应

根据吴中伟教授提出中心质效应的观点,宏观上骨料为大中心质,水泥浆是大介质,凡是大中心质对大介质产生吸附、化合、粘结、强化、晶核作用、晶体取向等物理化学效应,称为大中心质效应.对高性能混凝土骨料的认识,从大中心质效应入手,可将骨料分为种类效应、表面性质效应、粒径尺寸效应、活性效应、强度效应等分效应.

种类效应　所谓种类效应是由于骨料品种、矿物成分对大介质产生的效应.当骨料是石灰石等碳85第1期　　　　　　　　　　　　　尚建丽:高性能混凝土微观结构特征及开发应用

酸盐质骨料时,界面生成低碳型的水化碳铝酸钙,它是尺度很小的六边形晶体,使后来生成的氢氧化钙晶体沉积于它的上面,造成氢氧化钙取向降低;酸性骨料表面水泥浆硬度较大,部分碳酸盐骨料界面则硬度较小;对于活性骨料,界面水泥浆会因发生不同的化学反应,生成不同水化产物而影响着骨料种类效应.

表面性质效应　所谓表面性质效应是骨料表面致密程度、光滑程度对界面水化产物的影响.当骨料表面致密光滑表面吸附水量少,凝结前CH在骨料表面处生成的多,取向范围也大,反之,则相反.

粒径尺寸效应　所谓粒径尺寸效应指骨料颗粒大小及分布对大介质的影响.当骨料颗粒较大,在同一重量下,分布在某一体积中的数量相对颗粒较小的骨料来说,数量少、表面积小且分布不易均匀,加之过渡层效应随水泥石性能改善而提高,大粒的过渡层效应由于表面积小而减弱,小颗粒骨料分布均匀、表面积增加,过渡层效应随之增加,因此,高性能混凝土骨料的颗粒尺寸应有所.

骨料活性效应　该效应是从反方面加以深化认识大中心质对大介质的影响.当骨料内含有某些活性矿物成分,例如,蛋白石、玉髓、燧石英……,可与水泥浆中碱性物质反应,生成的产物不利于过渡层的加强,甚至会导致过渡层的破坏,应予以控制.

强度效应　所谓强度效应是指骨料本身的强度、硬度对大介质的影响.普通混凝土虽对骨料强度有要求,但由于界面薄弱,整体受力时未发挥骨料强度而界面先行破坏,而高性能混凝土由于过渡层得到了加强,力的传递将更多地赋给了骨料,就显现了骨料自身强度的重要性.

2　高性能混凝土微观结构设计构想

就上述水泥浆基体、界面、骨料三层分析来看,许多学者对前两层的研究给予了更多的关注.然而基于骨料在高性能混凝土中的综合效应,如何进行人造骨料的开发和研究,有着重大的社会效益和技术效益.关于这一途径经过调查分析,可开发的市场前景相当广阔,首先天然优质骨料的资源,开采有日趋紧张的迹象;其次,工业废渣排放造成了环境污染,土地的浪费,若能使其在人造骨料领域回用,必将使混凝土真正具有高性能和绿色性双重内涵;再次,可以按需要对骨料进行形状、粒径、级配的最佳组合,根据我们的初步摸索,以工业废渣为原料,已试验出按主观设计的骨料粒形,有效地体现骨料对高性能混凝土的影响,有待于继续研究.

3　结　语

(1)从高性能混凝土组成材料相互匹配、相互作用的微观分析去开发新型组成材料是最科学的途径之一,使形成的高性能混凝土使用性更完善.

(2)高性能水泥浆是高性能混凝土重要的相物质之一.为此,高标号水泥、低水灰比、高效减水剂、活性微粉的最合理匹配是配制这一相物质的关键.

(3)由于高性能水泥浆形成的过渡层不再被认为是薄弱层,它不仅完成了力与变形的协调传递,而且决定骨料在高性能混凝土中的诸多效应.

(4)对高性能混凝土骨料的要求,尤其在强度和粒径上不同于一般骨料.因此,新型骨料的开发会成为高性能混凝土研究的重要子项.

参　考　文　献

1　廉慧珍.建筑材料物相研究基础.北京:清华大学出版社,1996.131～141

2　M o ranv ille-reg ourd M.M icro str uctur e of hig h Per for mance Concret e.I n:Y ves M alier,ed.High Per for mance Co n-cr ete.L ondon:E&FN SP ON,1992.3～13

3　R ego ur d M.M icro structure o f hig h str engt h cement paste systems.M ater ial Research Societ y,1985,42:3～17下载本文