浅谈混凝土中的孔
学院：建筑与力学学院
专业：结构工程
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浅谈混凝土中的孔
1.孔的分类 混凝土是一种多相、多组分、不均匀、不连续、离散性较大的材料，也即它是由固、液、气三相组成的一种复合材料。
早在1896年，法国Feret 最早提出的混凝土强度公式为 式中 C ，W ，A — 水泥、水、空气的绝对体积； R — 抗压强度；
K — 常数。
由该公式可知，水与空气的含量大时，则强度低。
水与空气的含量决定了孔的含量。
可见，对孔的认识对于认识混凝土材料具有重大的意义。
在混凝土中，根据孔径尺度将孔分为以下四种：
孔径大于103 nm ；
孔径为102 — 103 nm ；
孔径为10 — 102 nm ；
孔径小于10 nm 。
细孔存在于水化硅酸钙凝胶(CSH)中，其中凝胶孔可再分为两种：存在于凝胶微晶内部的称为凝胶内孔，其孔径小于1.2 nm ；存在于凝胶微晶粒子之间的称为微晶间孔，其孔径为1.2-3.2 nm 。
还有存在于凝胶粒子之间的称为凝胶间孔，其孔径在
3.2 nm 以上。
凝胶间孔在制作不善的情况下可变大，直到成为毛细孔，故又称为过渡孔。
吴中伟根据较多资料，按孔径对强度的不同影响，将混凝土中的孔分为四类： 无害孔 孔径小于20 nm ；
少害孔 孔径为20 — 100 nm ；
有害孔 孔径为100 — 200 nm ；
多害孔 孔径大于200 nm 。
此外，混凝土中未水化的水泥石中也含有孔，水泥石中的孔分为两类，即毛细孔（直径为50—104 nm 、10—50 nm ）和凝胶孔（10—25 nm 、0.5—2.5 nm 、<0.5 nm ），毛细孔中包含大孔和中等孔,凝胶孔中包含细小毛细孔和凝胶孔。
2.孔的成因
2.1混凝土中孔的成因
在混凝土中存在着两种形式的孔，一种是连通孔；一种是封闭孔。
连通孔是拌和水留下的空间。
在混凝土拌和时，为了保证混凝土具有一定的工作性，需要加入2
[
]C R K C W A
=++
一定数量的水，混凝土凝结而形成初始结构时，这些水仍留在混凝土中，并占据一定的空间。
随着水化的进行及以后的干燥过程，这些水分失去，原来被水占据的空间则成为孔隙。
封闭孔通常是气泡占据的空间。
这些气泡或者是由于在搅拌过程中混入空气而形成，或者是由一些外加剂产生。
这些在搅拌、成型过程中没有排出的气泡，当混凝土硬化后便形成了封闭孔。
2.2 水泥石中孔的成因
影响水泥石孔结构的因素很多，归纳一下主要有以下几个方面。
(1) 水灰比
前面已经提到，连通孔主要是由拌合水的消耗而留下的空间，水灰比高表明拌合水的相对数量较多，这些水移去后也将留下较多的孔隙。
因此，水灰比越高，水泥石孔隙率也将越高。
(2) 水化程度
在水泥的水化过程中，固相体积将增加1.13倍，当水泥初始结构形成后，这些增加的反应产物将填充在孔隙中，使得水泥的孔隙减小。
水化程度越高，水泥石的孔隙率越低。
(3) 水泥的保水性能
在搅拌过程中，拌合水均匀地分布在浆体中，如果水泥有较好的保水性能，不使这些水聚集的话，将在水泥石中留下较均匀分布的孔隙。
但若水泥的保水性能较差的话，这些水将可能聚成较大的水滴，在水泥石中形成较多的大孔。
(4) 成型条件
在混凝土搅拌过程中，不可避免地将混进一些空气，形成空气泡，成型时如不能将这些气泡赶出，将在水泥石中形成孔隙，这种孔一般较大，对混凝土的性能有较大的影响。
(5) 养护制度
在不同的养护制度下，所形成的水化产物的形态是不一样的。
采用高温养护，所形成的水化产物一般结晶良好，颗粒较粗大。
在相同水化程度下，尽管孔隙率没有明显变化，但大孔相对增多。
这一作用主要影响凝胶粒子间孔即3.2—200 nm范围内的孔。
(6) 掺入减水剂
混凝土中掺入减水剂可以减少混凝土用水量，降低水灰比，不仅可以降低水泥石的孔隙率，也可以使水泥石的孔分布得到改善。
(7) 掺入混合材
在混凝土中掺入混合材对水泥石的孔结构有相当大的影响，这种影响取决于混合材的品质、掺量、掺入方式、养护制度等多种因素，是一个比较复杂的问题。
3.孔对强度的影响
混凝土中的凝胶数量多时，强度和密实度就高，存在于凝胶中的凝胶孔也多。
因此，可根据凝胶孔的多少来判断强度的高低，这也是水化程度是否充分的表征。
减小孔隙率，除去多害孔，减少有害孔，就能得到较高的强度和密实度。
此外，孔的形状与位置对强度也有一定的影响，例如长短轴比例大的椭圆形孔对抗拉、抗折强度不利。
在集料与水泥浆体的交界面附近有一个环状过渡区，区内常存在较多孔缝，这些孔缝也是强度和耐久性的薄弱环节，在外力作用下不仅易于扩展而且开始破坏，还易引来外来的破坏因素（如气体、液体、盐类等）而造成内部侵蚀破坏。
上述影响强度的孔隙率、孔径尺寸与级配、孔形貌、孔分布等被统称为混凝土的孔结构。
孔结构不仅对强度，而且对密实度因而也对耐久性有着重要的影响。
优良的孔结构，即低孔隙率、小的孔径与适当的级配、圆形孔多等，是高强度和高耐久性的必要条件。
“强度高的其他性能也是好的”这一种长期被接受的思想就是由此而来的。
由于结构设计中最重视强度这一力学性能，而强度高低又被认为在一定程度上反映了耐久性的优劣，以至逐渐形成偏重于强度而漠视耐久性以及安全性、适用性等的倾向。
4.孔对混凝土耐久性的影响
在使用环境不太严酷的条件下，质量好的混凝土有足够的强度和密实度，因此是很耐久的，如一般工业和民用建筑的上部结构。
然而暴露在大气、土壤、水和海水中的混凝土程度不同地经受温度、湿度、水位的变化和化学介质的侵蚀。
混凝土本身是一种多孔材料，孔隙率一般在10%—15%，水和各种离子在孔隙中迁移，水在混凝土孔隙内不断地吸附和脱附，冻结和融化，水中的化学物与水泥及其水化物起反应，盐类在孔隙中结晶和溶解，这些都是导致混凝土性能的变化以至破坏。
例如根据水灰比的不同，在混凝土的内部形成孔结构，使混凝土具有一定的渗透性，在一定的环境条件下，氯离子会渗透到混凝土材料的内部，引起钢筋锈蚀，导致混凝土结构失效，危害混凝土结构的安全运行。
同时硫酸盐等有害离子还会通过孔隙进入混凝土的内部，随着时间的延长对混凝土结构造成破坏。
但是，并不是所有的孔对混凝土的耐久性都有害的，为了提高混凝土的抗冻性，我们一般采用在混凝土材料中加入引起剂的办法来提高混凝土的抗冻性。
即：
(1) 优质引气剂的掺入使气孔结构的平均孔径和气泡间距系数减小，气泡分布得以改善；同时引气剂的掺入也使得混凝土孔结构的平均孔径、最可几孔径和临界孔径减小，孔级配分布更为合理，从而混凝土的抗冻耐久性得到显著提高。
(2) 经过冻融试验后，水泥混凝土气孔结构的总率、平均孔径、气泡间距系数均增大，导致混凝土气孔结构恶化，这是混凝土冻融耐久性劣化的主要原因之一。
(3) 水泥混凝土冻融耐久性劣化后，混凝土的孔隙率增大，最可几孔径、临界
孔径、平均孔径呈增长趋势；孔级配分布出现小孔向大孔方向转移集中的趋势，这是水泥混凝土冻融耐久性劣化的又一原因。
(4) 对混凝土冻融耐久性劣化影响最大的孔为小于50 nm 和大于200 nm 范围内的孔。
这是因为引起剂所产生的孔与其他的孔本质区别在于引气剂所产生的孔是封闭孔，孔内不含有水。
所以，通常称之为气泡。
而其他的孔是连通孔，允许水自由进入。
在潮湿环境下，它常常含有较多的水。
因此，引气剂所形成的孔是不可冻孔，因而在冻融环境下，不会造成混凝土的破坏。
不仅如此，引气剂所产生的孔还可能释放冰冻作用所产生的压力。
由于水转变成冰体积膨胀9%,因而将产生一个内压力。
如果在冰冻区周围存在着引气剂所产生的孔的话，则可以减小这种内压力，减轻它对混凝土的破坏。
由于这两个原因，使得引气剂所产生的孔对混凝土的抗冻性的影响与其他孔不同，它不仅没有有害的作用，而且还有有利的作用。
在混凝土中，气泡起到一个蓄水池的作用，在冻结过程中，冻结区的水则向气泡中转移。
显然，在一定范围内，气泡含量越高，它所容纳的水也越多，因而有利于提高混凝土的抗冻性。
气泡的大小直接影响到在混凝土中气泡的间距。
在相同气泡含量下，气泡越小，气泡间距也越小。
水从冻结区向未冻结区转移时将受到孔壁的摩擦阻力，这个阻力必须由冻结区想未冻结区所产生的压力来克服。
水转移的行程越长，它所产生的阻力也越大。
如果在冰冻区周围存在着小气泡，则可以大大缩短水迁移的行程，以减小冻结区的压力。
因此，气泡间距越小，混凝土的抗冻性能越好。
目前普遍认为，若混凝土气泡间距系数小于250μm，则混凝土是抗冻的。
因此，从混凝土抗冻性考虑，一方面应保证混凝土有足够的含气量，另一方面还应注意有较小的气泡间距。
前者可以通过调整引起剂掺量来实现，而后者则应通过选择质量较好的引气剂来实现。
