高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

高性能混凝土是指具有較高強(qiáng)度、較高耐久性以及優(yōu)良工作性的混凝土。從微觀層次研究高性能混凝土的特點(diǎn)，對(duì)研制開發(fā)新產(chǎn)品，推廣應(yīng)用高性能混凝土具有理論指導(dǎo)意義。就微觀層次論，高性能混凝土可視為骨料、界面、凝膠、晶體、氣孔、液體多相復(fù)合材料。在砂漿中細(xì)集料為分散相，水泥漿為連續(xù)相。

1水泥漿基體的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

高性能水泥漿內(nèi)各種相物質(zhì)的組合構(gòu)成基體的微觀特征:高標(biāo)號(hào)水泥、低水灰比、高效塑化劑、活性摻合料，它們彼此間相互作用、相互配合，一方面仍遵守水化規(guī)律，另一方面則克服了未加外加劑和摻合料的水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的缺陷，顯示了四相物質(zhì)匹配的合理性。如遠(yuǎn)程無(wú)序的C—S—H凝膠從近程上看是一些0.1μm—1.0μm的微細(xì)晶體，靠液膜傳遞的力和粒子間相互作用，傳遞荷載[1]。施加拉力時(shí)晶體被拉開，但在壓力下，主要是微晶破裂，故抗壓遠(yuǎn)大于抗折。由于高標(biāo)號(hào)水泥礦物成分的特點(diǎn)，加之高效塑化劑、水泥水化凝膠的數(shù)量保證了凝膠體抗壓性能的最大發(fā)揮。具有明顯結(jié)晶性質(zhì)的CH是固相結(jié)構(gòu)成分里最復(fù)雜的一個(gè)產(chǎn)物。從電鏡中看，有些可能起到阻止毛細(xì)孔開裂的作用。另外，呈六方晶體的CH其解理面本身非常薄弱，又由于摻合料的作用，抑制了CH薄弱而。就四相形成的系統(tǒng)而言，除發(fā)揮了有利的固相成分作用，控制不利作用外，人們關(guān)注的氣相結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，漿體中晶體和凝膠間構(gòu)成的微界面及內(nèi)部微孔被填實(shí)，使之成為均勻密實(shí)的連續(xù)體。

2 過(guò)渡層的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

高性能混凝土骨料界面的結(jié)構(gòu)模式可用圖1表示。

由于低水灰比、高塑化劑、活性微粉的相互匹配，一方面骨料表層吸附水膜減少，骨料表面孔隙減少；另一方面，水泥水化相對(duì)均勻完整，骨料表面無(wú)定向排列的CH，過(guò)渡層區(qū)域大大減弱，強(qiáng)化了過(guò)渡層與水泥基體的一致性和均勻性，增加了骨料相、水泥相作用的協(xié)調(diào)性和完整性。當(dāng)混凝土受荷時(shí)，由于過(guò)渡層性能得到改善，原來(lái)由兩相彈性模量差異引起的水泥相變形，通過(guò)增強(qiáng)的過(guò)渡層傳遞到骨料相，逐漸積蓄為一定的彈性應(yīng)變能，當(dāng)彈性應(yīng)變能達(dá)到某一程度時(shí)，必然釋放使裂縫驟然擴(kuò)展，產(chǎn)生爆裂破壞，這一過(guò)程經(jīng)歷了基體受荷的傳遞、變形能的積蓄、釋放，最后以整體爆裂而破壞，與普通混凝土的破壞有本質(zhì)的區(qū)別。在普通混凝土中，集料本身的抗壓強(qiáng)度和彈性模量(f_a，E_a)均很高，一般集料的彈性模量與砂漿彈性模量(E_m)相差近5倍。當(dāng)受到壓力荷載時(shí)，絕大多數(shù)情況下，混凝土的破壞始于集料和砂漿間的界面處。對(duì)普通混凝土起決定作用的是集料與砂漿界面間的粘結(jié)力，即砂漿的強(qiáng)度，而集料本身對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響并不大。如果用不同強(qiáng)度的砂漿與普通密實(shí)的集料配制混凝土，其強(qiáng)度f(wàn)_c基本上與砂漿強(qiáng)度f(wàn)m接近，兩者的強(qiáng)度呈近45°線性關(guān)系，如圖2中的oa直線段^[2]。

與普通混凝土不同，在高性能混凝土中，由于混凝土的強(qiáng)度較高，接近粗集料的強(qiáng)度，對(duì)混凝土的影響也顯現(xiàn)了出來(lái)。與普通混凝土相比，它的破壞形式截然不同。圖3為粗集料在混凝土中的光彈受力分析示意圖^[2]，圖中4個(gè)界點(diǎn)的受力在普通混凝土和高強(qiáng)混凝土中截然相反，圖(a)界面極易破壞，圖(b)中則不然。

根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)，混凝土可視為粗集料和調(diào)和砂漿組成的復(fù)合材料。其性質(zhì)取決于兩相材料的強(qiáng)度和彈性模量的相對(duì)大小。當(dāng)集料的彈性模量E_a大于砂漿的彈性模量E_m時(shí)，這種材料稱為軟質(zhì)復(fù)合材料；反之，當(dāng)E_m>E_a，時(shí)稱為硬質(zhì)復(fù)合材料。當(dāng)受到壓力作用時(shí)，兩種復(fù)合材料的內(nèi)力傳遞方式如圖4所示，也可以簡(jiǎn)化成模型來(lái)表示^[3]。在普通混凝土中E_a>>E_m，應(yīng)力集中于集料與砂漿界面，故其為軟質(zhì)復(fù)合材料。在高性能混凝土中Ea<<Em，應(yīng)力集中于砂漿中，故可視為硬質(zhì)復(fù)合材料。對(duì)于普通混凝土，其模型屬串聯(lián)模型，應(yīng)力在集料中的分布有:

σ_c=σ_m=σ_a

ε_c=ε_m+ε_a

E_c=E_an+E_m(1-n)

對(duì)于高性能混凝土，其模型屬并聯(lián)模型，應(yīng)力在集料中的分布有:

ε_c=ε_a=ε_m

σ_c=σ_m(1-n)+σ_an

則σ_a=1/n(σ_c-σ_m(1-n))

在圖2中，當(dāng)砂漿強(qiáng)度在a，b點(diǎn)之間時(shí)，集料對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)為σ_a=1/n(σ_c-σ_m(1-n))式中，n為粗集料的表觀體積。

受壓時(shí)，集料和砂漿所受的應(yīng)力相同(σ_c=σ_m=σ_a)。

同時(shí)，由于集料強(qiáng)度f(wàn)a高于砂漿強(qiáng)度f(wàn)m，普通混凝土強(qiáng)度f(wàn)c主要取決于fm。高強(qiáng)混凝土則不然，其受力破壞分三種情況;

1)特殊情況下，若選用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度集料時(shí)，E_a>>E_m，其破壞形式與普通混凝土相類似，屬軟質(zhì)復(fù)合材料，fm與fc的關(guān)系曲線為直線。

2)一般情況下，當(dāng)混凝土強(qiáng)度越過(guò)a點(diǎn)相應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，砂漿強(qiáng)度增加，其彈性模量也隨之增加。過(guò)a點(diǎn)后Em>Ea，則砂漿就要承擔(dān)更多的壓力荷載，此時(shí)，砂漿強(qiáng)度也必須高于混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，砂漿所受的應(yīng)力先達(dá)到其極限強(qiáng)度并開始破壞，隨后應(yīng)力進(jìn)行重分布，集料進(jìn)而破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)破壞。此破壞過(guò)程為延性破壞，此時(shí)砂漿的強(qiáng)度在曲線a—b段，集料的強(qiáng)度(a一d段)也達(dá)到了極限強(qiáng)度。此時(shí)，集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的極限貢獻(xiàn)為

σa=1n(f_cmax-f_mb(1-n))

3)當(dāng)混凝土強(qiáng)度更高時(shí)，達(dá)到或超過(guò)b點(diǎn)的相應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，早在荷載達(dá)到混凝土強(qiáng)度以前，一部分集料己先破壞(d—e段)。集料與混凝土中砂漿所組成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，類似于輕集料混凝土(abc段)。這種情況下要依靠砂漿來(lái)承受荷載，因此，砂漿的強(qiáng)度就要超出混凝土強(qiáng)度f(wàn)c很高。

以上情況可知第1)、3)種情況在配制高性能混凝土?xí)r均是不可取的.在第1)種情況下，集料的強(qiáng)度未被充分發(fā)揮，破壞仍為界面破壞。同時(shí)，由于集料和砂漿的變形不協(xié)調(diào)，更增加了集料粘結(jié)面處的微裂縫，使混凝土的耐久性如抗?jié)B、耐腐蝕明顯下降，而對(duì)于高性能混凝土高耐久性是它的必要前提。在第3)種情況下，要用成倍增長(zhǎng)的砂漿強(qiáng)度，換來(lái)較小幅度的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，既不經(jīng)濟(jì)也不合理，同時(shí)，fm的不斷增加勢(shì)必造成配制混凝土所選用的水泥量和水泥標(biāo)號(hào)的不斷增加，從而帶來(lái)混凝土的免疫能力下降及水化熱過(guò)大造成其熱裂和脆性破壞等一系列問(wèn)題.所以第2)種情況是較為合理的破壞形式。高性能混凝土的配制也應(yīng)限制在該情況范圍內(nèi)。在選準(zhǔn)某一集料時(shí)，可配制的混凝土最適宜的 強(qiáng)度范圍是相應(yīng)于a點(diǎn)到b點(diǎn)的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，可充分發(fā)揮砂漿和集料的強(qiáng)度，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上也是比較合理的。此外，在第2)種情況下Em和Ea相差不致過(guò)大，集料和砂漿二者變形協(xié)調(diào)，同時(shí)也改善了由于變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的界面裂縫的生成和擴(kuò)展，使混凝土強(qiáng)度得到增加的同時(shí)耐久性也得到了極大的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

1)從高性能混凝土組成材料相互匹配、相互作用的微觀分析去開發(fā)新型組成材料是最科學(xué)的途徑之一，使形成的高性能混凝土使用性更完善。

2)高性能水泥漿是高性能混凝土重要的相物質(zhì)之一。為此，高標(biāo)號(hào)水泥、低水灰比、高效減水劑、活性微粉的最合理匹配是配制這一相物質(zhì)的關(guān)鍵。

3)由于高性能水泥漿形成的過(guò)渡層不再被認(rèn)為是薄弱層，它完成了力與變形的協(xié)調(diào)傳遞，決定骨料在高性能混凝土中的諸多效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

1吳中偉.高性能混凝土發(fā)展趨勢(shì)與問(wèn)題.建筑技術(shù),1998

2楊久俊.同濟(jì)大學(xué).博士論文.

3周茗如.從細(xì)觀力學(xué)分析制作高性能混凝土途徑.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,12