水泥浆体与新拌混凝土的物理性质_二_.pdf

水泥浆体与新拌混凝土的物理性质?习黄大能?三?新拌 混凝土的物理结 构!桨休结构与界面 结构新拌混凝上?#%&。()#?是指水 泥、砂、石拌合物加水后从搅拌终 了算起,直到混凝土完全失去流动性和可塑性为止的整个阶段。水泥浆体、粗细集料所组成的新拌混凝+,是 由固相、液相、气相组成的一种非匀质的,非密实的,各向异性的,并随时间、温度、湿度及受力状态在不断变化着的弹一粘.塑性混合物。其中固相包括粗、细集料,未水化水 泥颗粒及氢氧化钙、水泥凝胶等水化产物。液相存在于凝胶孔、毛细 孔、固相周界及游离状态 中。气相存在于未被水分占据的 孔隙 及气泡中。随着时间的增长,液相或是蒸发,或是与未水化颗粒继续反应,逐渐减少,而固相不断增加并且密实起来,从而过渡到 以弹粘性为主的状态。气相随着水分蒸发也逐渐有所增加。这就构成了新拌混凝 上物理结构的不断变化。新拌混凝土与水泥浆体的差别主要是集料的掺人。长期 以来,集料被当作惰性填充料看待,其主要作用仅仅是节约水泥用量。虽然也曾注意到集料中可 能存在 的有害成分,注意到通过集料级配试验,减少 孔 隙,玫善混凝 土和易性等,但总 的说来,对于占据混凝土体积至少/01的集料对混凝土性能的影响是估计不足的。直到近代混凝土材料阵学的加速发展,各种新品种新结构混凝土的出现,对 高强、轻质、耐久性的新的要求,才逐渐 引起人们 的注意。首先 认识 到集料能弥补水泥浆体本身存在 的一些缺陷,如弹性模量小,收缩变形大,孔隙多等。以后更发展到集料与水泥 浆体间界面反应的研究。现在已能 肯定的是,集料在混凝土中并非仅起填充作用的惰性材料,它 的物理和化学性质对混凝 土的 最终质量起着仅 次于水泥 的重要作用。2 3年4!5!56#789和 以后:;%提出的著名的“水灰比定 则”已经受到不少议论。许多人 认为 由于这个定则过于简化了混凝土概念,忽视了集料的 作用而在一定程度上阻碍了混凝土科学的推进。“水灰比定则”今天还被广泛使用,但它只能适用于一定范围 内的正常的集料所配制的塑性混凝土,而混凝土的最终强度,尤其是耐久性,必然还被集灰比,集料质量、级配和表面状态等一系列性能所控制。2/一5?0一=?中的5、=两常数,正 由于忽视了集料的影响而产生较大的误差。再从流变学角度分析,水泥浆体是一种以粘塑性为主的物质,而集料则基本上属于弹性体。混凝土作为一种非匀质材料,在外力或内力作用下,应力的分布和裂缝的产生和发展,必然会受弹性模量有显著差异的不同组成材料的影响。因此,在混凝土中,集料与水泥浆体 的共 同作用问题已开始引起了广泛的注意。由于集料与水泥桨体间存 在着 各 种作用,因此在探讨新拌混凝土的物理结构时,有必要把不与集料接触的水泥浆体结构同水泥浆体与集料的界面结构区别对待。也就是说,新拌混凝土的物理结构,包括了水泥浆体结构和界面结构两种截然不 同 的结构。由于集料对水泥浆体作用 的存在,使界面结构具有独特状态,而且随集料的不同而使结构也有变化。集料对浆体的作用主要分物理的和化学的两个方面?集料对 水泥浆体的物理作用集料颗粒外形和表面组织对混凝土各种性能的影响是众所 周知的。表达颗粒外形一般用球度?9五#)户表示,即集料颗粒表面积?9?与体积?之比?90?。扁平多角的集料,球度大,球度大则混凝上孔隙率大。圆体集料球度最小,因此球度愈小愈好。集料表面组织反映了集料硬度与孔性。一般说来,硬而致密的岩石有较光滑的表面组织。然而光滑的表面组织却对界面结构的形成和发展以及随后产生的粘附力有一定影响,这是一个矛盾。不少国家的混凝土标准中对集料球度和表面组织都有所规定,并分了若干等级。例如英国=93 /,2对集料的表面组织分成个等级玻璃状?,7%;?一黑色隧石光滑?%8&?一鹅卵石、大理石粒状?#7(.,7#?一砂岩粗糙?#&?一石灰岩、玄武岩晶状?)#;%7,?一花岗岩、辉长岩蜂 窝状?&(;86?一碎砖、浮石、熟料、膨胀粘土。有三种反映集料热性质的指标比热、导热系数、热膨胀系数。前二者仅对大体积混凝土升温降温的速度有关,而热膨胀系数如与水泥浆体相差较大,则会在集料与浆体间产生微膨胀位移而破坏硬化混凝土结构,影响耐久性。大部分集料的热膨胀系 数为 一“1 一0,而硬化水泥浆体 为 义 一 一0,有的高达/,一“0。这种因热膨胀系数相差过 大的危害,在冻融循环试验中最为突 出。另 一种影响混凝土质量的集料性质是湿胀千缩性。以往人们对集料的胀缩性不予理会,但六十年代 以来 曾有不少因集料千缩而影响混凝土质量的报道。认为干缩性较大的集料有辉绿岩、玄武岩、砂岩、石灰岩、泥岩及鹅卵石等,收 缩 率 一般达!/!,%#?两者,而 两者都与分子间距有关。前者与分子间距的次方成反比,后者与分子间距 1次方成反比。因此内聚力?达因?可以下式表示图/内聚力和粘附力的差别7刀#物体5在物体=的面层开始滑动时,其表面上产生剪应力9和垂直应力。于是,如果两物体 间不存在粘附力,则按库伦定律9拼7(功式中月为摩擦系数功为摩擦角。但如果两物体间存在着粘附力,则9与的关系为99;7(沪此时,9;为当垂直应力时的抗剪力,即粘附力。9;也可认为相当于5、=两物体间存在“内在的”垂直应力产而产生的抗剪 力,亦即9;7(必于是,9?7(必式中了即为内聚 力,即了9;八7(必观察硬化混凝土破碎断面时,可发现存在着三种不 同断面集料断面,水泥浆体断面和水泥浆体与集料粘结层脱 开的 断面。显然,后两种断面出现较多,是主要的。这里我们可把浆体断面说成是浆体内聚力的破坏,而浆体与集料接触层的断面说成是浆体与集料间粘附力 的破坏。所谓内聚力是指由分子引力引起的物体中相同组成部分倾向于聚合在 一起的一种力。材料从本质来讲是由无数原子或分子结合起来 的物质。其结合形式可分为一次结合式中。、刀为一定温度与压力下的分子特征常数。第一项为范德华 引力,第二项为斥力。将上式作图?图1?。、/两点为两个分子,实线为。当#时,二当#。时,斥力主导,须施压力以保持距离当#。时,引力主导,须施拉力。当#产时,达到不稳定 的平衡。超过#了距离后,给定的拉力所遇抵抗逐渐减小。显然,这种分子间的应力一应变关系,基本上与 宏观晶体所观察到 的应力一应变关系相似。图1分子间内聚力与分子间距的关系应用到水泥浆体,虽然浆体是由晶体、凝胶、未水化水泥颗粒、含水毛细孔和气孔等组成的非匀质体,但如果把它放大到宏观领域来分析,则其中晶体骨架与凝胶的结合,凝胶体与未水化颗粒的结合,对内聚力而言,起了积极作用,而毛细孔和气孔 则起消极作用。其综合表现,即为!#%所提出的水泥浆体强度为的函数凝胶容积凝胶容积十毛细孔十气孔因此,浆体内聚力也可看作 是上述的函数。同时也说明这一“胶一孔比理论”仅适用于混凝土中浆体部分的内聚力 的表现。粘附力与内聚力不 同,它是由分子力引起的两种不 同物质接触部分之间所产生的 引力。两种不 同物质的分子必须在十分接近的情况下才能显示粘附力,因此一般说来,固体与固体 间因分子不能十分接近,粘附力极小,而液体与固体的分子则能密切接触而显示一定的粘附力。粘附力产生的机理说法很多,归纳起来不外乎?,?物理吸附作用,是范德华力在不同分子间或不同分子与离子间的表现。在固液体接触中,液体分子在固体表面 由于不饱和的分子力而引起吸附效应,产生吸附层。吸附层结构的致密度和厚度确定了 吸附力的大小。?/?机械咬合作用,决定于固体表面形态和组织构造,也决定于液体渗人固体表层孔隙裂缝 的深度。?1?化学键作用。可能产生 固液体间的氢键。甚至还可能产生一次结合共价键,在集料周围产生接触层。体间分子引力 的比例。属于亲水?&;?#一&,)?的 固体表面,或具有 较小内聚 力的液体,接触角较小,有较好的湿润效应,其极限为二,即全部湿润。反之,如果固体表面是疏水 性的?&;?#&6或7#,(?而浆体又有 较 大内 聚 力时,接触角就较大,湿润效应较差,极 限为.3。这时,粘附力也就等于零。因此,主要 由湿润效应的好坏?表 现 在上?,初步决定了水泥浆体和集料间粘附力 的大小。接着就是机械咬合作用和是否出现化学键的 问题。因此,浆体粘度 和集料表面形态和构造,是确定粘附力的两个重要参数。经过以上分析,说明水泥浆体的内聚 力和水泥浆体乌集料粘附力 的产生和发展是显然不同的。前者与浆体孔 隙直接有 关,后者主要与浆体粘度及集料表面形态有关。从宏观试验证明,各种因素对内聚 力和粘附力 的影响是不 同 的。例如水灰比这一重要因素,内聚力随水灰比的增大迅速下降?图?,而粘附力则不同,以!的水灰比时最大,高于或低于这个水灰比,粘附力都有所降低。另外,1 号矿渣水泥 的粘附力 反大于 号普通水泥的粘附力。?。兴岁?巾火 图!接触角示 意一水泥浆体,#一空气%一集料,夕一接触角&?、亡亡亡亡亡件件件件件“、之,图图图图图图图图图图匕匕匕匕匕匕匕一&(川川曰曰)产一一、水泥浆体片集料间的粘附力,以上三个条件都可能存在,但吸附效应一般起决定性作用。水泥浆 体作为粘附剂时,粘附力 的大小首先决定于对集料的湿润效应+,./0 1 21.34。湿润本身说明水分子和集料表面已产生了范德华力,即 吸附作用,而湿润效应大小则决定于 液体和 固体界面接触角夕的大小+图!4,而接触角的大小又决定于水泥浆体内聚力+如为水,则 为表面张力4与固液水5灰图6水5灰对内聚力)7及粘附力)。的不 同影响)72、)2一8 9 9号普通水泥)7:、);一%9 9号矿渣水泥再如水泥细度这一因素+图84。水 泥比表面积的增加,对内聚力 的提高,在一 定限度内+%999!9 99厘 米“5克4有效,超过这一限度反而有所降低,而对粘附力,则随比面积的增加,各龄期粘附力都不断上升。其他一些因素,如矿渣作为混合材料掺人水泥,内聚力随掺量增加而明显下降,对粘附力 的影响则很小,后期还有提高趋势。再如压蒸处理对粘附力 的好处可超过内聚力。尸尸尸尸一一一一_ 洲洲卜,刁 石石石少少 丫丫勺勺勺才才一、交交令令令令令令匕匕匕匕芬芬于聋聋蔗蔗蔗蔗乡夕产产产母母母犷 了了了了比表面积?厘米/0克?图水泥细度对内聚力及粘附力。的不同影响?号普通水泥?、一1天,/、一天,1、一/3天以上宏观试验表明,各种因素对内聚力和粘附力 的影响有很大差异。对内聚力不利的 因素,对粘附力可能有利而对内聚力有利的因素,对粘附力却不一定有利。这些初步结论证明,水泥浆体结构的形成和发展规律与浆体和集料界面结构的形成和发展存在着许多本质上的不同,要求我们在今后的工作中深人下去,必须从微观结构和宏观行为的关系中去解答这些 问题,然后在这基础上研究进一步挖掘水泥潜力 的方向途径。1,多相 结构与共同作用总的说来,新拌混凝土是固!、液、气多相结构。固相本身还有结晶度的不同以 及凝胶体和未水化熟料颗粒等。液相不断蒸发浓缩。气相一也有开放的或闭合的,它 的分布也大小各异,十分复杂。理想的结构是所有粗细集料的周界都牢牢地被水泥浆体所包裹,集料间的孔 隙能充分地被浆体所填充,而水泥浆体本身又能在一定时间内不 断补充更多凝胶和遗留最少的毛细孔隙。这就是说,尽管新拌混凝土是多相结构,但要求随着硬化的进展,能得到一个最致密的产物。需要有足够的水泥浆体填充孔隙 和 包裹集料。但浆体如过剩太多,由于它本身在凝结硬化过程中难以避免的收缩变形,必然会遗留较 多孔隙。尤其在集料周界会产生不断破坏其粘附层的内应力而削 弱多相结构的致密性。降低水灰比可以减少水泥浆体硬化过程 中的收缩,但这又将影响和易性,需要做更多的功来求取密实,而且也就不易保证水泥浆体与集料表面的湿润效应。存在着这些相互 制约的变化因素,要求新拌混凝土有最好的配合比设计和合理 的施工工艺。混凝土虽是 多相结构,但它是以整体材料抵抗各种外 来或内在破坏力 的,因此固、液、气相间存在着共 同作用 问题。由于集料与浆体在弹性模量、热膨胀系数上的显著差别,应力在混凝土结构中的传播是极其错综复杂的。一般认为,对密实集料言,裂缝不会通过集料而极大部分会在界面出现。实验证明,加荷前,由于混凝土环境条件变化而引起的体积微变,能在界 面事先产生微裂缝。加荷后,裂缝首先向薄弱环节发展,甚至加荷到极限强度值的3 时,裂缝大部分仍集中在集料与浆体的接触界面。因此,混凝土最后的破坏,很多是由于存在于界面的裂缝 的汇合?7,%(?而造成的。因此看来,如何提高水泥浆体与集料间的湿润效应似乎是首要 问题。如果集料品种选择的余地不大,则浆体粘度以及硬化过程中体积的稳定性应该是重要的研究内容。这方面的科研工作可从以下 几 方面 人手,包括水泥 品种和 一些工艺参数的研究?水泥品种如硫铝酸盐水泥的发展,工艺参数包括熟料矿物组成、水泥细度等?水 灰比与粘度的关系各种外加剂的效能,特别是近代高效能减水剂 的 出现,以及需要结合流变测试技术和一些模型 的建立等。除界面结构是薄弱环节外,在浆体 中散乱分布着的大小孔隙能使应力分布的随机性大 为增加,应力集 中则到处出现,因而需要、?下转第页?(恺夕兴剑、众巾?州/舀廷、%夕、!了 声月例如,在全国/个城市实测了/米/的办公室2 间,获得了2 个楼面活荷载数据,可用前面介绍的方法进行数据处理?见表/?,并作直方图?图?。从图看出,楼面活荷载是明显的偏态,且偏向左边,故可选择对数正态或极值型等分布试之。经分布函数的假设检验,在7二信 度下,极值型分布分布,一一?.一!2!则在基准使用期 年内最大值分布为?年?目翻、刀,、了、!之、,一一?.一!2!、,尸、!了0一一?.一11!2!有了基准使用期最大 值 分 布?劝,便可推求结构安全度分析中所需要的各种统计参数,如的平均值、标准差、变异系数以及在某一保证率下的标淮值等等,同时还为分析荷载组合问题提供了必要的基础。畔衫举1 /3 荷载:?公斤0米/?图办公室楼面活荷载频数直方图、/、,声0,一一?.一2!/!1/可以被接受。这样,由楼面活荷载的瞬时分布?,利用上面提供的公式,在基准使用期年内变动次数为3次时,可得 年最大值分布为?3?厂0一2!_、?3一乏“”:一)”、一厄瓦衷犷一刀、洲、,一一了三口二创丛过_/!1/又如,某地区年最大风压服从极值型四、结束语荷载及荷载效应是建筑结构安全度研究的重要对象之一。从统计数学的观点来研究荷载,至今已有五十多牟的历史,但进行大量的深人的研究工作则是近一、二 十年的事。为 了满足全概率设计法?水准1?的要求,对各类荷载,可以从物理?包括力学?上,以及各种可能的随机因素的影响上,探讨荷载真正的统计规律,给出各自的理论分布,这 是进一步研究的一个途径。另 一方,面,已有越来越多的人从随机过程的角度来探讨荷载的统计特性,弄清荷载随时间、空间变异的客观规律,给出切合实际的具体的荷载随机过程,这也是一个有希望的研究方向。?建筑结构设计统一标准编委会?口!月,口阵气!户!户、!冷 峨!口!,口伟峨口口份“,卜、曰门卜,口伟气目口!,口凡,!口毛司!今曲!口,卜,!几!目口!声,口阵气曰 卜曰介峨气口 口,司!今 气!户协声,!几、侧口件,!,气!尸!,口!、户!一州!,、曰户 协一?上接第 页?从断裂力学理论出发,在掌握其规律性的基础上,提出对多相结构进行改性的措施。多相结 构和共同作用还表现在弹一粘一塑性的特征上。这种复杂的随时 间发展的应力一应变关系,正是在流变学领域内需要解决的问题。对水泥混凝土在凝固前的结构粘度、屈服应力、塑性强度、触变性,凝固后的强度、弹性模量、徐变等流 变参数的掌握,将为研究多相结构和共同作用机理 创 造条件,也将为挖掘水泥潜力,提高混凝土质量创造条件。