普通混凝土的硬化结构课件.ppt
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- 普通 混凝土 硬化 结构 课件
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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 硅酸盐水泥的水化反应及凝结硬化硅酸盐水泥的水化反应及凝结硬化 水泥石的亚微观结构及强度水泥石的亚微观结构及强度 水泥石的工程性质水泥石的工程性质 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一、混凝土结构概述一、混凝土结构概述 普通混凝土的宏观组织呈普通混凝土的宏观组织呈堆聚状堆聚状,它是由各种形状和大小的集料颗粒,它是由各种形状和大小的
2、集料颗粒和水泥石所组成。见图和水泥石所组成。见图:其中其胶结作用的物质,是由水泥凝结硬化其中其胶结作用的物质,是由水泥凝结硬化而成的水泥石。而成的水泥石。混凝土是多相(气相、液相、混凝土是多相(气相、液相、固相)、多孔的材料。从宏观固相)、多孔的材料。从宏观 上看,可将混凝土视为由集料上看,可将混凝土视为由集料 颗粒分散在水泥浆基体中的两颗粒分散在水泥浆基体中的两 相材料。微观上,存在毛细管、相材料。微观上,存在毛细管、孔隙及其中所含的气和水以及微孔隙及其中所含的气和水以及微裂缝等内在的缺陷。在水泥浆与裂缝等内在的缺陷。在水泥浆与集料结合的界面,还存在着过渡区。集料结合的界面,还存在着过渡区。
3、硬化混凝土的结构是由硬化混凝土的结构是由3部分组成部分组成:水化水泥浆体水化水泥浆体、集料集料、水泥浆体和水泥浆体和集料的过渡区。集料的过渡区。普通混凝土还具有毛细管普通混凝土还具有毛细管孔隙结构的特点。它与混凝土的孔隙结构的特点。它与混凝土的一系列物理性质,有着密切关系。这些毛细管一系列物理性质,有着密切关系。这些毛细管孔隙包括混孔隙包括混凝土成型时残留下来的气泡,水泥石中的毛细管孔腔和凝胶凝土成型时残留下来的气泡,水泥石中的毛细管孔腔和凝胶孔,以及水泥石和集料接触处的空穴等等。此外可能存在着孔,以及水泥石和集料接触处的空穴等等。此外可能存在着由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普
4、通混由于水泥石的干燥收缩和温度变形而引起的微裂缝。普通混凝土的孔隙率,一般不少于凝土的孔隙率,一般不少于8-10%.混凝土结构形成过程:从混合料的制备和浇灌入模的时候就混凝土结构形成过程:从混合料的制备和浇灌入模的时候就开始了。此后,在混凝土的密实成型时期、养护和硬化时期,开始了。此后,在混凝土的密实成型时期、养护和硬化时期,以及在混凝土制品和结构物的使用时间,其结构都有很大的以及在混凝土制品和结构物的使用时间,其结构都有很大的发展和变化。但是,对混凝土的结构起着重要作用的,则是发展和变化。但是,对混凝土的结构起着重要作用的,则是从混凝土浇灌入模、密实成型时起,到混合料凝结而失去其从混凝土浇灌
5、入模、密实成型时起,到混合料凝结而失去其流动性,以及随后混凝土养护和硬化的一段时间。流动性,以及随后混凝土养护和硬化的一段时间。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。外分层使下方。外分层使混凝土沿着浇灌混凝土沿着浇灌方向的结构不均方向的结构不均匀,其下部强度匀,其下部强度大于顶部。表层大于顶部。表层混凝土成为最软混
6、凝土成为最软弱部分。弱部分。内分层内分层混凝土内分层划分为三混凝土内分层划分为三个区域。区域个区域。区域1位于粗集位于粗集料的下方,这个区域称料的下方,这个区域称为充水区域,含水量最为充水区域,含水量最大,在其蒸发后则形成大,在其蒸发后则形成孔穴,是混凝土中最弱孔穴,是混凝土中最弱的部分。也是混凝土渗的部分。也是混凝土渗水的主要通道和裂缝的水的主要通道和裂缝的发源地。发源地。内分层内分层 区域区域2:正常区。:正常区。区域区域3:密实区:密实区 由于混凝土内分层,使混凝土具有各向异性的特由于混凝土内分层,使混凝土具有各向异性的特征。表现为沿着浇灌方向的抗拉强度较垂直该方征。表现为沿着浇灌方向的
7、抗拉强度较垂直该方向的为低向的为低。至于水泥石,可以近似把它看作匀质热各向同性至于水泥石,可以近似把它看作匀质热各向同性的材料。但由于水泥浆中水泥粒子的沉降,也会的材料。但由于水泥浆中水泥粒子的沉降,也会引起水泥石上下部位密实度的差异。引起水泥石上下部位密实度的差异。三、硅酸盐水泥的水化反应及凝结硬化三、硅酸盐水泥的水化反应及凝结硬化 1、硅酸盐水泥的矿物组成硅酸盐水泥的矿物组成 2、各种熟料矿物的水化及单独与水作用各种熟料矿物的水化及单独与水作用时表现出的特征时表现出的特征 3、水泥的水化反应、水泥的水化反应 3、水泥的凝结硬化、水泥的凝结硬化硅酸三钙硅酸三钙 3CaOSiO2 简写为简写为
8、C C3S S 含量含量37%37%60%60%硅酸二钙硅酸二钙 2 2CaOCaOSiOSiO2 简写为简写为C C2S S 含量含量15%15%37%37%铝酸三钙铝酸三钙 3 3CaOCaOAlAl2O O3 简写为简写为 C C3A A 含量含量7%7%15%15%铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4 4CaOCaO.AlAl2 2O O3.3.FeFe2 2O O3 3 简写为简写为C4AFC4AF 含量含量10%10%18%18%(二)熟料矿物水化(二)熟料矿物水化1、硅酸三钙水化、硅酸三钙水化3CaO.SiO2)+nH2O xCaO2SiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2式中:式中:x=
9、CaO/SiO2或或X=C/S钙硅比钙硅比研究表明:在不同浓度的氢氧化钙溶液中,水化硅酸钙的组研究表明:在不同浓度的氢氧化钙溶液中,水化硅酸钙的组成是不同的。成是不同的。当氢氧化钙浓度约为当氢氧化钙浓度约为1-2mol/L 时,生成时,生成C/S小于小于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 时,生成时,生成C/S为为0.8-1.5的水的水化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统
10、称为化硅酸钙固相。这一类水化硅酸钙统称为C-S-H()或或CSH(B).当溶液中当溶液中氢氧化钙浓度饱和氢氧化钙浓度饱和 时(即时(即CaO1.12g/L),生成碱性更高生成碱性更高(C/S为为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()或)或C2SH2.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/S提高。(图提高。(图1)水化硅酸钙的
11、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/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-H凝胶或凝胶或C-S-H。一般所测得的。一般所测得的C/S比平均值通常变动于比平均值通常变动于1.5-1.7之间。之间。图图1水化硅酸钙与溶液间的平衡水化硅酸钙与溶液间的平衡 图图2 水固比对水固比对C-S-H的影响的影响C3S的水化进程的水化进程 C3S的水化进程分的水化进程分5个阶段个阶段(图图3):初始水化期加水后立即发生急剧反应,:初始水化期加水后立即发生急剧反应,15min内结束。内结束。:诱导期反应缓慢,一般持续:诱导期反应缓
12、慢,一般持续2-4h。相当于初。相当于初凝结束时间。凝结束时间。:加速期。反应重新加快,本阶段(:加速期。反应重新加快,本阶段(4-8h)。此。此时终凝结束。时终凝结束。:衰退期,反应速率随时间下降,约持续:衰退期,反应速率随时间下降,约持续12-24h,水化作用逐渐受扩散速率的控制,水化作用逐渐受扩散速率的控制.:稳定期,反应速率很低,基本稳定的阶段。水稳定期,反应速率很低,基本稳定的阶段。水化作用完全扩散速率的控制。化作用完全扩散速率的控制。图3 C3S的水化放热速率的水化放热速率C3S的水化各阶段示意图的水化各阶段示意图表表1 C3S 反应诸阶段的化学过程和动力学行为反应诸阶段的化学过程
13、和动力学行为C3S的水化动力学过程受制约的因素的水化动力学过程受制约的因素 晶体生长与成核晶体生长与成核 C3S与液相间的化学反应与液相间的化学反应 通过水化物层的扩散通过水化物层的扩散2、硅酸二钙水化、硅酸二钙水化 略名名 称称硅硅 酸酸 三三 钙钙硅硅 酸酸 二二 钙钙铝铝 酸酸 三三 钙钙 铁铁 铝铝 酸酸 四四 钙钙凝 结 硬 化 速 度快慢最 快快28d水 化 放 热 量多少最 多中强 度高早 期 低、后 期 高低低各种熟料矿物的强度增长图2(3CaO.SiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)22(2CaO.SiO2)+4H2O=3CaO 2SiO2 3H2O
14、+Ca(OH)23CaO.AlAl2O3+10H+10H2 2O=O=3 3CaOCaO AlAl2 2O O3 3 6 6H H2 2O O3CaO.Al2O3+Ca(OH)2+12H2O=4CaOAl2O313H2O3CaOAl2O3+10H2O+CaSO42H2O=3CaOAl2O3CaSO4 12H2O 4CaO.AlAl2O3.Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O3 6H2O+CaOFe2O3H2O 3CaOAl2O313H2O+3(CaSO42H2O)+14H2O=3CaOAl2O33CaSO4 32H2O+Ca(OH)2 3、水泥的水化反应及水化产物、水泥的水化反应及水化产物胶
15、体胶体晶体晶体水化硅酸钙凝胶,水化硅酸钙凝胶,呈纤维状,称托贝呈纤维状,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%;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,六方片状晶体,约占总体积的约占总体积的25%;水化铝酸钙:六方水化铝酸钙:六方板状板状晶体晶体高硫型高硫型3CaO Al2O3 32CaSO4 32H2O(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3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 3、硅酸盐水泥水化产物、硅酸盐水泥水化产物C3S水化生成的水化硅酸钙水化生成的水化硅酸钙C2S水化生成的
16、水化硅酸钙水化生成的水化硅酸钙水泥水化生成的水泥水化生成的Ca(OH)2晶粒晶粒钙钒石钙钒石硅酸盐水泥的水化过程分为四个阶段硅酸盐水泥的水化过程分为四个阶段:初始反应期初始反应期 休止期休止期 凝结期凝结期 硬化期硬化期 初始反应期初始反应期:水泥与水混合约水泥与水混合约5分钟自由,主要是分钟自由,主要是C3S水化,释放出水化,释放出Ca(OH)2,PH值达到值达到13.表面的铝酸盐矿物迅速与石膏反表面的铝酸盐矿物迅速与石膏反应,析出钙钒石。约应,析出钙钒石。约1%的水泥水化。大部分水化产物的水泥水化。大部分水化产物包裹在水泥粒子表面,形成薄膜包裹层。包裹在水泥粒子表面,形成薄膜包裹层。休止期
17、:休止期:约约30分钟到分钟到2小时,发热速度小,水化反应缓慢,水泥小时,发热速度小,水化反应缓慢,水泥浆的可塑性基本保持不变。水泥粒子保持其原来的形状,浆的可塑性基本保持不变。水泥粒子保持其原来的形状,形成絮凝结构。形成絮凝结构。凝结期凝结期:休止期终了,由于渗透压的作用,使水泥粒:休止期终了,由于渗透压的作用,使水泥粒子的薄膜包裹层破裂,水泥粒子继续水化,发热速度子的薄膜包裹层破裂,水泥粒子继续水化,发热速度又开始增大,约在水泥与水混合后的又开始增大,约在水泥与水混合后的6-8小时,发热小时,发热速度增加到最大值,然后缓慢下降。有两个占优势的速度增加到最大值,然后缓慢下降。有两个占优势的反
18、应:(反应:(1)C3A和石膏反应生成水化硫铝酸钙;(和石膏反应生成水化硫铝酸钙;(2)硅酸二钙(阿里特)水化生成水化硅酸钙凝胶和硅酸二钙(阿里特)水化生成水化硅酸钙凝胶和Ca(OH)2。在这一阶段约有。在这一阶段约有15%的水泥水化,由于水的水泥水化,由于水化硅酸钙凝胶在水泥粒子间相互连锁着,因而产生水化硅酸钙凝胶在水泥粒子间相互连锁着,因而产生水泥的凝结现象。泥的凝结现象。硬化期硬化期:放热速度缓慢下降,水泥水化放热速度缓慢下降,水泥水化24小时后,发热速小时后,发热速度已降低到度已降低到1卡卡/克克.小时以下。引起发热速度降低的原因小时以下。引起发热速度降低的原因有二:有二:(1)由于较
19、小的水泥粒子已完全水化较大的粒子)由于较小的水泥粒子已完全水化较大的粒子因水化而变小,使未水化的水泥粒子表面积减小;(因水化而变小,使未水化的水泥粒子表面积减小;(2)在水泥粒子表面生成生成水化硅酸钙凝胶,不断地填充在水泥粒子表面生成生成水化硅酸钙凝胶,不断地填充于原来的水泥浆絮凝结构的毛细管通道中。毛细管通道于原来的水泥浆絮凝结构的毛细管通道中。毛细管通道就逐渐被堵塞,而形成不联通的毛细管孔腔。就逐渐被堵塞,而形成不联通的毛细管孔腔。水泥硬化可以持续相对长的一段时间。水泥水化水泥硬化可以持续相对长的一段时间。水泥水化9个月的个月的水化深度为水化深度为5-9.一般情况下,粒径大于一般情况下,粒
20、径大于10微米的水泥粒微米的水泥粒子约占水泥重的子约占水泥重的50%,水泥的最大粒径可达,水泥的最大粒径可达100微米。微米。硅酸盐水泥水化过程示意图硅酸盐水泥水化过程示意图水灰比与堵塞毛细管通道水灰比与堵塞毛细管通道所要求的水泥水化程度的关系所要求的水泥水化程度的关系堵塞毛细管通道需要的大致养护时间堵塞毛细管通道需要的大致养护时间水泥石亚微观结构示意图水泥石亚微观结构示意图凝胶孔的孔凝胶孔的孔隙率与水灰隙率与水灰比和水化进比和水化进展无关。展无关。黑点黑点凝胶凝胶粒子;粒子;c-毛细孔,毛细孔,1.3微米微米胶空比与水泥石强度关系胶空比与水泥石强度关系 胶空比:水泥凝胶的体积对水泥凝胶和毛细
21、管腔胶空比: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。两者体积之和的比值。水泥抗压强度与胶空比之间的关系服从下面经验水泥抗压强度与胶空比之间的关系服从下面经验公式:公式: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,在常数,取决于水泥的特性,在2.5-3.0之间。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/cm2胶空比与水灰比的关系胶空比与水灰比的关系 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体积的水泥凝胶。体积的水泥凝胶。设:设:c=水泥质量水泥质量 vc=水泥比容水泥比容 w0
22、=混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间可用于水泥凝胶填充的空间总体积总体积=c vc +w0 因此胶空比为:因此胶空比为:胶空比与水灰比的关系胶空比与水灰比的关系 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。由于由于x变动在变动在0-1之间,根据上式水泥石的强度不能超过之间,根据上式水泥石的强度不能超过A。但是在但是在x=1的情况下,水泥石的强度却随着水泥含量的增加的情况下,水泥石的强
23、度却随着水泥含量的增加而增大。这时,在水泥石中甚至还存在着未水化的的水泥。这而增大。这时,在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。故。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,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1/6-1/5
24、1cm3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(1)水泥水化物的凝胶相)水泥水化物的凝胶相 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和水硅比在较大范围内变动,还存在和水硅比在较大范围内变动,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,因为凝胶中有大量有很大的比表面积,因为凝胶中有大量的孔存在;的孔存在;C-S-H结晶程度极差。结晶程度极差。1、水化物的组成与结构、水化物的组成与结构 2)
25、C-S-H凝胶的硅酸根聚合度凝胶的硅酸根聚合度 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水化物;水化物;单聚物占单聚物占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、水化物的组成与结构化物的组成与结构 3)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、水化物的组成与结构化物的组成与结构(2)水泥水化物的结晶相及
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