探究混凝土承重构件孔洞率对性能的影响

刘足、张方平、廖凯、魏晋

摘 要:混凝土的各个固相中都有不同的孔洞，孔径、形状和体积比等与混凝土的强度、弹性模量、耐久性等有关，因此需要对混凝土的孔洞进行有效的控制。在实际工程中，可以根据不同的施工需要，对混凝土的内部孔洞进行合理的控制，以确保混凝土的力学性能。

关键词：混凝土；孔洞率；水灰比

引言：

随着工程技术的不断发展，混凝土的性能要求也越来越高，但混凝土是由多种成分组成的复合材料，其影响因素十分复杂，难以掌握。由于孔洞广泛存在于混凝土各组分之中，且与混凝土各项性能密切相关，因此，从孔洞入手，分析孔洞对混凝土性能的影响规律，进而通过控制孔洞来保证混凝土的性能。

一、混凝土中的孔洞

混凝土是一种非均质材料，它的固体成分主要由三相组成：集料、硬化水泥浆体以及它们之间的界面过鸿区。

（一） 骨料

由粗集料和细集料组成，一般采用石材、河砂等自然物质，但其内部总是有一定数量的孔洞，孔洞率与材质的差别很大，-般密实度高的骨料中的孔洞比例要小，而轻骨料中的孔洞要大得多。

（二）硬化水泥浆体

浆液自身也是不均匀的，它包括水化硅酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙、水化硫铝酸钙和未水化的水泥微粒等，且分布很不均匀,孔洞在水泥浆体内普遍存在通常分以下3类:

(1)凝胶的孔洞。水化硅酸钙层间普遍存在的孔洞尺寸小于3 nm的空穴，其固相量为28%。

(2)微孔的形状一般是不规则的，它的孔洞尺寸取决于未水化之前的水泥粒子的间距（也就是水灰比）和水泥的水化度。一般情况下，在水灰比较高的水泥浆料中，其毛细孔直径在10~50纳米左右，而在高水灰比的水泥中，其毛细孔直径可达到3~5微米。

(3)混凝土搅拌时产生的气泡如果不正确的振捣造成的空隙不够大，那么硬化后的气孔形状会有很大的差异，最大的直径可以达到3毫米；如果人工加入引气剂，会产生大量的气泡硬化硬化后的孔径-般为50-200微米^[1]。

（三）骨料和水泥浆体间存在界面过渡区(以下称过渡区)

过渡区的成因多种多样，一般认为有边壁效应、泌水效应、絮凝成团效应等，其结果是在集料表面形成一层稀浆膜，在混凝土凝固后形成过渡区。在实际工程中，钢筋附近也有相似的过渡区域。过渡区的厚度难以测定，-一般厚度为10~100 um，尽管厚度很少，但考虑到粗细集料过渡区的体积可以达到硬化水泥浆的1/2~1/3，过渡区和大孔径的孔洞率比水泥浆高3倍左右，过渡区中存在大颗粒的氢氧化钙和钙矾石，在混凝土还没有被承载之前，就容易产生大量的原始微裂纹，是混凝土的弱点。

二、孔洞对混凝土性能的影响

混凝土并非均匀、多相固体复合材料，从上节所述的各固相中的孔洞和形状都有不同的孔洞，基本上所有的混凝土性能都与空穴相关，下面将对这些问题进行分析。

（一）对强度影响

对于基本视为匀质的固体材料其强度计算公式如下:

(1)式中: f为混凝土强度

fo孔洞率为 0时的材料强度

e为常数

k为系数

P为孔洞率

随着孔洞率的增大，均匀固体的强度降低。混凝土是一种非均质多相材料，其抗拉、压、剪等强度差别很大，一般不能满足公式（1)，但孔洞率和混凝土的强度仍然满足一定的负相关关系。由实验资料进行了回归分析，结果表明：在抗压强度方面，水泥浆强度的改变比过渡段强度变化的作用大2倍。

实验结果显示，在界面过渡区域，增加粘接强度可以使混凝土的抗拉强度得到明显的改善，而抗压强度的作用则较小。对于集料，由于其强度比混凝土高出2倍，因此一般认为其对混凝土强度的影响较小，但如果采用高强混凝土，其作用也不容忽视。为了提高混凝土的抗压强度，必须减少水泥浆与界面过渡区域的孔洞率，而高强度集料对其影响不大。要想改善混凝土的抗拉强度，就必须减少过渡段的孔洞率^[2]。

（二）对弹性模量影响

在一定程度上，混凝土的弹性模量与其强度之间存在着一定的相关性，而组成相的孔洞率和成分的含量对混凝土的弹性模量有较大的影响。

在普通混凝土中，集料的含量约为70%，而在过渡区则为1/2~1/3，因此，各固位对混凝土的弹性模量的影响不容忽视。岩芯试验结果显示，花岗岩、玄武岩等低孔洞度集料的弹性模量为70~140 GPa，而高孔洞度为23~50 GPa的砂岩石灰岩等轻集料，其弹性模量仅为7~28 GPa。不同孔洞率的硬化水泥浆体的弹性模量为7~28 GPa，其弹性模量与轻集料混凝土基本相同。过渡区弹性模量的计算比较困难，一般认为过渡区的弹性模量要低于水泥浆体的30%~50%^[3]。

（三）对干缩性影响

在湿润条件下，各组相中的孔洞中都含有水份，当水汽压力降低，水份蒸发时，自由面向下凹陷，表面张力增加，使周围固体的压力应力达到平衡，使周围的固体相因压力压力体积的减少而发生干燥收缩。毛细管原则：孔洞直径愈小，则其干缩率愈高，通常认为，当孔径>50纳米时，其水分流失对其体积影响不大，而小于50纳米时则会发生收缩。凝胶孔洞中包含层间水，与水化硅酸钙分子形成氢键，在极干时会失去水分，因其孔洞极小，失水后会发生显著的收缩。

如果混凝土构件的体积过大，混凝土芯部的相对含水率将会对周围的干燥收缩起到约束作用，因此必须控制混凝土的干缩量。降低混凝土中微孔直径小于50纳米或增加集料的体积比，可以有效地抑制混凝土的干缩。

（四）对抗渗性影响

由于水的存在，各种不同的气体和离子会引起与其相接触的固体产生化学反应，因此，水尤其是水流是影响其耐久性的关键因素。在不渗透水泥浆中，当孔洞大于50 nm时，会对混凝土的抗渗性产生一定的影响，而在小于6%时，水泥浆体已经完全水化，具有与岩石无异渗透性，这时的抗渗性主要取决于过渡带。在过渡带中，孔洞率大，孔洞数目多。通过数值模拟，发现界面过渡区的立方浆体孔腺主要分布于靠近集料表面的区城。同时，由于干燥、温度等因素，界面过渡区域中出现了大量的原始微裂纹，从而使混凝土的抗渗性下降，从而减小了过渡区的孔腺率和微裂纹，从而显著提高了混凝土的抗渗性。降低大孔径水泥浆液中的毛细孔数目也起到了一定作用。

结语

混凝土孔洞的位置、孔径、数量等因素对混凝土物理性能的影响很大，因此控制孔洞是保证混凝土性能的关键。不同类型的孔洞对混凝土性能的影响不同，不同的控制方法对混凝土孔洞的影响也不同，因此必须掌握孔洞对混凝土的影响规律，才能使高性能混凝土在实际工程中得到合理的配置。

参考文献:

[1] 陈惠苏孙伟Streven Piet. 水泥基复合材料集料与浆体界面研究综述(二):界面微观结构的形成、劣化机理及其影响因素[J]硅酸盐学报2019.32(1): 70 - 79.

[2]陈惠苏孙伟StroevenPiet.水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响[J]建筑材料学报2016 ,8(1):51 - 62.

[3]张君,阎培渝覃维祖建筑材料[M]北京:清华大学出版社2020:36 - 98