高性能混凝土的微观结构及力学特性

    高性能混凝土是指具有较高强度、较高耐久性以及优良工作性的混凝土。从微观层次研究高性能混凝土的特点，对研制开发新产品，推广应用高性能混凝土具有理论指导意义。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。在砂浆中细集料为分散相，水泥浆为连续相。

​    1水泥浆基体的微观结构及力学特性

    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0.1μm—1.0μm的微细晶体，靠液膜传递的力和粒子间相互作用，传递荷载[1]。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。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薄弱而。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。

    2 过渡层的微观结构及力学特性

    高性能清水混凝土骨料界面的结构模式可用图1表示。

    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。在普通混凝土中，集料本身的抗压强度和弹性模量(fa，Ea)均很高，一般集料的弹性模量与砂浆弹性模量(Em)相差近5倍。当受到压力荷载时，绝大多数情况下，混凝土的破坏始于集料和砂浆间的界面处。对普通混凝土起决定作用的是集料与砂浆界面间的粘结力，即砂浆的强度，而集料本身对混凝土的强度影响并不大。如果用不同强度的砂浆与普通密实的集料配制混凝土，其强度fc基本上与砂浆强度fm接近，两者的强度呈近45°线性关系，如图2中的oa直线段[2]。

    与普通混凝土不同，在高性能清水混凝土中，由于混凝土的强度较高，接近粗集料的强度，对混凝土的影响也显现了出来。与普通混凝土相比，它的破坏形式截然不同。图3为粗集料在混凝土中的光弹受力分析示意图[2]，图中4个界点的受力在普通混凝土和高强混凝土中截然相反，图(a)界面极易破坏，图(b)中则不然。

    根据复合材料的特点，混凝土可视为粗集料和调和砂浆组成的复合材料。其性质取决于两相材料的强度和弹性模量的相对大小。当集料的弹性模量Ea大于砂浆的弹性模量Em时，这种材料称为软质复合材料；反之，当Em>Ea，时称为硬质复合材料。当受到压力作用时，两种复合材料的内力传递方式如图4所示，也可以简化成模型来表示[3]。在普通混凝土中Ea>>Em，应力集中于集料与砂浆界面，故其为软质复合材料。在高性能混凝土中Ea<<Em，应力集中于砂浆中，故可视为硬质复合材料。对于普通混凝土，其模型属串联模型，应力在集料中的分布有:

 σc=σm=σa

 εc=εm+εa

 Ec=Ean+Em(1-n)

 对于高性能混凝土，其模型属并联模型，应力在集料中的分布有:

 εc=εa=εm

 σc=σm(1-n)+σan

 则σa=1/n(σc-σm(1-n))

    在图2中，当砂浆强度在a，b点之间时，集料对混凝土的贡献为σa=1/n(σc-σm(1-n))式中，n为粗集料的表观体积。

 受压时，集料和砂浆所受的应力相同(σc=σm=σa)。

   同时，由于集料强度fa高于砂浆强度fm，普通混凝土强度fc主要取决于fm。高强混凝土则不然，其受力破坏分三种情况;

    1)特殊情况下，若选用优质高强度集料时，Ea>>Em，其破坏形式与普通混凝土相类似，属软质复合材料，fm与fc的关系曲线为直线。

    2)一般情况下，当混凝土强度越过a点相应强度时，砂浆强度增加，其弹性模量也随之增加。过a点后Em>Ea，则砂浆就要承担更多的压力荷载，此时，砂浆强度也必须高于混凝土的强度。当荷载继续增加时，砂浆所受的应力先达到其极限强度并开始破坏，随后应力进行重分布，集料进而破坏，最终导致整个混凝土结构破坏。此破坏过程为延性破坏，此时砂浆的强度在曲线a—b段，集料的强度(a一d段)也达到了极限强度。此时，集料对混凝土强度的极限贡献为

    σa=1n(fcmax-fmb(1-n))

    3)当混凝土强度更高时，达到或超过b点的相应强度时，早在荷载达到混凝土强度以前，一部分集料己先破坏(d—e段)。集料与混凝土中砂浆所组成的复合材料结构模型，类似于轻集料混凝土(abc段)。这种情况下要依靠砂浆来承受荷载，因此，砂浆的强度就要超出混凝土强度fc很高。

    以上情况可知第1)、3)种情况在配制高性能混凝土时均是不可取的.在第1)种情况下，集料的强度未被充分发挥，破坏仍为界面破坏。同时，由于集料和砂浆的变形不协调，更增加了集料粘结面处的微裂缝，使混凝土的耐久性如抗渗、耐腐蚀明显下降，而对于高性能混凝土高耐久性是它的必要前提。在第3)种情况下，要用成倍增长的砂浆强度，换来较小幅度的混凝土强度增长，既不经济也不合理，同时，fm的不断增加势必造成配制混凝土所选用的水泥量和水泥标号的不断增加，从而带来混凝土的免疫能力下降及水化热过大造成其热裂和脆性破坏等一系列问题.所以第2)种情况是较为合理的破坏形式。高性能混凝土的配制也应限制在该情况范围内。在选准某一集料时，可配制的混凝土最适宜的 强度范围是相应于a点到b点的范围。在这个范围内，可充分发挥砂浆和集料的强度，在技术和经济上也是比较合理的。此外，在第2)种情况下Em和Ea相差不致过大，集料和砂浆二者变形协调，同时也改善了由于变形不协调而导致的界面裂缝的生成和扩展，使混凝土强度得到增加的同时耐久性也得到了极大的提高。

    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，它完成了力与变形的协调传递，决定骨料在高性能混凝土中的诸多效应。