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，水泥水化相對均勻完整，骨料表面無定向排列的CH，過渡層區(qū)域大大減弱，強(qiáng)化了過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)，由于過渡層性能得到改善，原來由兩相彈性模量差異引起的水泥相變形，通過增強(qiáng)的過渡層傳遞到骨料相，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_c基本上與砂漿強(qiáng)度fm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，對混凝土的影響也顯現(xiàn)了出來。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，也可以簡化成模型來表示^[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fa高于砂漿強(qiáng)度fm，普通混凝土強(qiáng)度fc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承受荷載，因此，砂漿的強(qiáng)度就要超出混凝土強(qiáng)度fc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，要用成倍增長的砂漿強(qiáng)度，換來較小幅度的混凝土強(qiáng)度增長，既不經(jīng)濟(jì)也不合理，同時(shí)，fm的不斷增加勢必造成配制混凝土所選用的水泥量和水泥標(biāo)號的不斷增加，從而帶來混凝土的免疫能力下降及水化熱過大造成其熱裂和脆性破壞等一系列問題.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

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)展趨勢與問題.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