混凝土微观结构与断裂力学

微观结构与性能的关系是现代材料科学的核心（Kumar Mehta和Monteiro，2013）。对混凝土微观结构的了解对理解混凝土断裂行为有着十分重要的意义。因此本章首先叙述混凝土的微观结构。

众所周知，宏观上混凝土通常被假设为各相同性均质材料。然而从微观来看，混凝土的微观结构是十分复杂的，不能再被认为是各向同性均质材料。在微观上，混凝土具有高度的多相性、不均匀性和复杂性，这对混凝土的断裂行为产生了深远的影响。

人肉眼的分辨极限大约为0.2 mm（200μm）。现代电子显微镜的放大倍数已经可以达到106倍数，即100万倍，因此，借助透射和扫描电子显微技术可以观测材料微观结构中小于1μm的细节，达到1 nm的纳观尺度，即接近原子尺度层面。

从图3.1所示混凝土横剖面的细观结构图可以看出，混凝土在细观上就已经有两个明显区分出来的相：一个是具有大小不一的骨料，另一个是由大量不同水化产物组成的起胶凝作用的水化水泥浆体。混凝土中的骨料和水化水泥浆体两个相彼此之间不是均匀分布的，每个相本身在更小尺度即微观上也不是均质的。硬化水泥浆体中某些区域看上去像骨料一样致密，而另一些区域则有很多空隙（图3.2）。

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图3.1　混凝土的细观结构　　

图3.2　水化水泥浆体的微观结构

如果几个水泥用量相同而用水量不同的混凝土试件在不同的龄期进行测试，通常可以观察到，水化水泥浆体中毛细孔隙的体积随着水灰比的减小或龄期的增长而降低。对于已充分水化的独立水泥浆体，由于均匀性相对较好，在模拟材料的行为时，固相和孔隙的不均匀性通常可以大致忽略。但是，对于混凝土中的水化水泥浆体，微观结构的研究表明，水泥浆体的不均匀性不能忽略。这是由于在骨料存在的情况下，处在大颗粒骨料邻位的水化水泥浆体的微观结构通常与系统中浆体或砂浆本体的显微结构有很大不同。研究表明，只有将水泥浆体与骨料的界面看作混凝土结构的第三相，混凝土在应力作用下的许多行为表现才能得到解释。因此，通常在细观上将混凝土视为水泥浆体、骨料以及两者的界面过渡区三相组成。