2.1　混凝土的结构特点

普通混凝土的组成材料如表2-1所示。普通混凝土是由粗、细骨料作为填充材料，水泥净浆作为胶凝材料构成的。骨料是粒状材料，如砂、卵石、碎石，与胶凝介质共同形成水泥混凝土或砂浆，骨料占总体积的70%左右。粒径大于4.75mm的骨料称为粗骨料，包括碎石和卵石。粒径小于4.75mm的骨料称为细骨料，包括天然砂和人工砂。占总体积30%左右的水泥净浆又可分为水泥胶体、凝胶孔、毛细孔、空隙和未水化的水泥颗粒等。在大气环境中，凝胶孔和微毛细孔通常充满着自由水，大毛细孔和空隙通常充满蒸汽空气混合气体；与水接触时，大毛细孔和空隙也可以被水充填。水泥净浆的质量（即组成结构）对于混凝土的性能起决定性的作用，骨料的质量对于混凝土的性能也有很大的影响。

混凝土中除了水泥、砂、石子和水这四种材料外，有时还掺入少量的外加剂和一定量的掺合料，以改善混凝土某些性能或节省水泥。混凝土中各组成材料的作用如下。

（1）骨料

①由于骨料比水泥便宜很多，因此可作为廉价的填充材料，节省水泥用量，降低混凝土的成本。

②掺入骨料可以减少水泥用量，从而减少混凝土的收缩等不良现象，骨料的存在使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性。

③骨料表观密度要低于水泥表观密度，加入骨料还可以降低混凝土的表观密度，特别是在轻骨料混凝土中，该作用表现更加明显。

④由于混凝土的耐磨性取决于骨料的耐磨性，因此，混凝土中掺入耐磨性较高的骨料，便可以改善混凝土的耐磨性。

（2）水泥浆

①润滑作用。与水形成水泥浆，砂石分散在水泥浆中，从而赋予新拌混凝土以流动性。

②填充作用。由于水泥颗粒较细，水泥浆体可以占据骨料的间隙，从而填充砂和石子的空隙，并包裹砂粒和石子。

③胶结作用。水泥浆体能够包裹在所有骨料表面，硬化前赋予混凝土以流动性，后期通过水泥浆的凝结硬化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体。

（3）外加剂

①改善混凝土拌合物流变性能，主要包括减水剂、引气剂等。

②调节混凝土凝结时间和硬化性能，主要包括缓凝剂、速凝剂及早强剂等。

③改善混凝土耐久性能，主要包括引气剂、膨胀剂、防水剂及防锈剂等。

④改善其他性能，如加气剂、防冻剂及着色剂等。

（4）矿物掺合料

①减少水泥用量。矿物掺合料取代部分水泥，不仅能够降低水化热，而且掺合料具有一定的活性，能够保证混凝土的后期强度，因此，掺合料的掺入，能够降低水泥用量。

②改善混凝土性能。矿物掺合料的形态效应可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的流动度，加入掺合料一般可以减少混凝土的用水量，但硅灰需水量大，加入之后反而提高混凝土的用水量；矿物掺合料的火山灰效应和微集料填充效应可以提高混凝土的力学性能和耐久性等性能。

（5）水

①混凝土拌合物中加入的水为水泥的水化反应提供所需用水，由于水泥水化用水一般不超过水泥质量的25%，多余的水分有一部分被蒸发掉，还有一部分留在混凝土的孔（空）隙中，对混凝土的强度、抗渗性等耐久性产生不利影响。因此，高性能混凝土中必须掺入高效减水剂，降低混凝土的水胶比。

②赋予混凝土和易性。混凝土拌合用水在混凝土硬化前能够使水泥形成水泥浆体，从而使混凝土拌合物具有一定的流动性。

2.1.1　混凝土内部结构概述

（1）借鉴沥青拌合物的物理结构，可用两种方式理解混凝土物理结构的形成原理。

①表面胶结原理　混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥石组成的密实的体系，粗、细骨料构成骨架，水泥石包裹在骨料颗粒表面，将它们胶结为一个具有强度的整体，可采用图2-1进行图解。

②多级分散原理　混凝土的物理结构也可理解为以粗骨料为分散相分散在砂浆中而形成的一种粗分散系，同样，砂浆是以细骨料为分散相而分散在水泥石中的一种细分散系，水泥石是以水化硅酸钙（C-S-H凝胶）为连续相，其他晶体水化产物、未水化水泥颗粒、胶凝材料中的惰性颗粒为分散相而形成的微分散系，如图2-2所示。

（2）按照表面胶结原理和多级分散原理，为了形象地理解，又可以将混凝土的内部结构分为以下三类。

①悬浮-密实结构　统一考察粗、细骨料颗粒整体的紧密堆积，按粒子干涉理论，为避免次级颗粒对前级颗粒密排的干涉，前级颗粒之间必须留出比次级颗粒粒径稍大的空隙供次级颗粒排布。按此组合的混凝土，经过多级密堆垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级骨料均被次级骨料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，其结构如图2-3（a）所示。这种结构的新拌混凝土具有较小的内摩擦力，易于泵送、振捣。但是弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能不佳。

②骨架-空隙结构　当混凝土中粗骨料所占的比例较高，细骨料很少时，粗骨料可以相互靠拢形成骨架；但由于细颗粒数量过少，不足以填满粗骨料之间的空隙，因此形成骨架-空隙结构，如图2-3（b）所示。除了透水混凝土等特殊场合，应当避免这种结构，其抗水、抗化学介质渗透的能力差。

③密实-骨架结构　当骨料中除去中间尺寸的颗粒，既有较多数量粗骨料可形成空间骨架，同时又有相当数量细骨料可填实骨架的空隙时，形成密实-骨架结构，如图2-3（c）所示。这种结构的新拌混凝土有较高的内摩擦阻力，不易泵送。但弹性模量、抗折强度高，收缩、徐变小。

由以上的分析可知，粗、细骨料的级配和堆积状态对混凝土的结构和性能有重要影响，而水泥石是将粗、细骨料胶结成整体的关键。因此水泥水化形成水泥石的过程、水泥石的结构以及骨料与水泥石的界面是混凝土内部结构的决定因素。

2.1.2　水泥石的组成

水泥石作为混凝土中重要的组成部分，它由固、液、气三相组成。水泥石孔中的水溶液构成液相；当孔中不含溶液时，则为气相。为提高混凝土抗冻性而引入的微小气泡，也是气相的重要部分。固相则主要由C-S-H凝胶、氢氧化钙（也称羟钙石，CH）、三硫型水化硫铝酸钙（也称钙矾石）、单硫型水化硫铝酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝（铁）酸钙、未水化的水泥颗粒以及混合材和掺合料中尚未水化的颗粒或惰性颗粒组成。

C-S-H凝胶在完全水化的水泥浆体中，占据50%～60%的体积，是浆体长期强度和耐久性的主要来源，C-S-H这个术语使用连字符，表明了它不是一个很确定的化合物，其C/S之比在1.2～2.3，且结构水含量变化更大。氢氧化钙晶体占水泥浆体固相体积的20%～25%，与C-S-H不同，氢氧化钙是具有确定化学组成的化合物Ca（OH）₂。水化硫铝酸钙占水泥浆体固相体积的15%～20%。由于水化硫铝酸钙中的铝可以被铁置换而成为含铝、铁的水化产物，故三硫型水化硫铝酸钙常用AFt表示，单硫型水化硫铝酸钙常用AFm表示。

但是，随着活性矿物外掺料的广泛应用，由于火山灰反应，水泥中的CH数量减少，并形成更多的C-S-H凝胶。这些水化产物的特性列于表2-2，其中C-S-H是一种成分（Ca/Si、H/Si）不确定、结晶度很差、微观形貌多样的凝胶体。

2.1.3　混凝土界面过渡区

硬化后的混凝土，可以分为水化水泥基相（水泥石）、分散粒子和界面过渡区三个构成要素。混凝土作为一种典型的水泥基复合材料，其结构和性能不再是其组成成分的简单叠加。从国内外的研究现状来看，关于水化水泥基相的研究比较全面深入，所形成的理论也比较成熟。分散粒子由于其自身性质单一稳定，对混凝土性能的影响相对较小；而界面过渡层其结构和性能与非过渡区水泥水化物存在较大的差异，许多关于混凝土性能方面的现象难以从其他方面寻求解答，却能通过对界面过渡区的分析而得到解释。诸如在相同水胶比、相同水化时间的前提下，水泥砂浆的强度比混凝土要高；随着粗骨料粒径的增大，混凝土的强度降低，在遭遇火灾时，混凝土弹性模量比抗压强度的降低要快；混凝土的抗拉强度比抗压强度小一个数量级等。

界面过渡区是指硬化水泥浆（水泥基相）和骨料（分散基相）之间的薄层部分，也称为混凝土的第三相，如图2-4～图2-6所示。通常，其厚度约为10～50μm，存在于骨料的外围，约占全部水泥浆体的1/3。该区域的密实性和强度都远小于硬化水泥石本体，是混凝土结构中最薄弱的环节，该过渡区的结构与性能在很大程度上制约了水泥混凝土整体的结构性能。

新拌水泥混凝土中各种颗粒的沉降不均匀，特别在振捣作用下，密度相对较小的水分子向上运动并在粗骨料的下方富集形成水囊，同时水泥熟料颗粒水化产生的大量气孔也被带到了该区域，这样在粗骨料的下方形成了较一般界面过渡区结构更为薄弱的过渡区。

法国学者J.C.Maso曾观察过混凝土浇筑后界面过渡区随时间发展的结构特性，他认为界面过渡区的形成机理如下：首先，在新拌混凝土中，粗骨料周围有水膜形成，这是由于浆体中的水分向亲水的骨料表面迁移，离粗骨料表面越近的区域水胶比越大；然后，由硫酸钙（石膏）、铝酸钙等化合物溶解而产生的钙离子、硫酸根离子、氢氧根离子和铝离子结合而形成针状钙矾石晶体和六方片状氢氧化钙晶体，由于水胶比较高，这些粗骨料界面附近的结晶产物相对粗大，从而形成一个比普通水泥基相或砂浆更多孔的结构，平板状的氢氧化钙晶体趋向于形成定向层状排列并附着在骨料表面；最后，随着水化过程的继续，产生的C-S-H凝胶和较细小的钙矾石及CH晶体填充多孔结构中的孔隙，这使得过渡层的密实程度稍有增大。

界面过渡层是富集于界面上定向排列的Ca（OH）₂（以下简写为CH）粗大结晶。过渡区范围内，接触层与骨料表面处几乎都是定向排列的六方片状CH结晶，中间层分布着CH及粗大的AFt、AFm晶体及少量的C-S-H凝胶。

界面过渡区约占胶凝材料基本体积的30%～40%。其结构性质如下：

①具有较高的孔隙率，离骨料表面距离越近孔隙率越高。如骨料表面处水泥石的孔隙率为40%，离骨料表面35～40μm处则降至12%左右，已接近水泥石本体。

②随着水化反应的进行以及干燥作用的影响，该区域将形成一个Ca（OH）₂晶体定向排列的结构疏松层，极易产生裂缝并诱导裂缝进一步扩展。