董 蕓， 楊華全， 張 亮， 林育強

（1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

界面過渡區(qū)（ITZ）是混凝土中的薄弱區(qū)域.界面過渡區(qū)主要有三大特征［1］：低密度或高孔隙率；大量呈優(yōu)先取向的氫氧化鈣晶體；微裂縫.界面過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)對混凝土的強度、變形性能和耐久性有重要影響［2］.界面過渡區(qū)的性質(zhì)除了受水泥用量、品種和性能，摻和料種類、質(zhì)量和摻加比例，水膠比，養(yǎng)護條件等因素的影響外，還與骨料的特性密切相關(guān).骨料的尺寸、級配、形狀、吸水率、化學(xué)和礦物組成等對界面過渡區(qū)的性能具有非常重要的影響.此外，由于漿體與骨料的彈性模量和線膨脹系數(shù)等的差異，使界面過渡區(qū)成為混凝土中應(yīng)力最為集中的區(qū)域，因此漿體－骨料界面的特性及其抵抗外力變形的能力在很大程度上決定著混凝土的力學(xué)性能和耐久性能.

四川雅礱江錦屏一級水電站大奔流溝砂巖料場部分料層段夾雜有其他巖性的巖石，包括銹染砂巖、銹面砂巖、板巖及大理巖.這些雜質(zhì)骨料混入混凝土后，將不可避免地對錦屏一級水電站大壩混凝土的性能產(chǎn)生影響.本文采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDS）、顯微硬度（MH）等各種微細觀測試手段對以上骨料的界面特性開展了試驗研究，同時采用計算機斷層掃描成像（CT）技術(shù)分析了不同骨料混凝土的細觀損傷破壞過程，結(jié)合混凝土的抗拉強度，分析不同骨料的界面特性對混凝土力學(xué)性能的影響機理.

1 試驗原材料

水泥：峨勝42.5中熱硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成1）本文所涉及的組成、需水量比、水膠比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.和物理力學(xué)性能見表1，2；粉煤灰：宣威電廠Ⅰ級粉煤灰，需水量比93%；外加劑：北京冶建JG－3緩凝高效減水劑，減水率23.5%，山西黃河HJAEA型引氣劑；細骨料：大理巖人工砂，細度模數(shù)2.39，石粉含量15%，堅固性5.5%，吸水率0.8%，表觀密度2 690kg／m3；粗骨料：分別為砂巖、銹染砂巖、銹面砂巖、板巖及大理巖5種粗骨料，其基本性能見表3，巖相鑒定結(jié)果見表4，銹面化學(xué)成分分析結(jié)果見表5.

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition（by mass）of cement %

表2 水泥的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

表3 粗骨料基本性能Table 3 Basic properties of coarse aggregates

表4 粗骨料巖礦鑒定結(jié)果Table 4 Rock－mineral determination of coarse aggregates

續(xù)表4

表5 銹面物質(zhì)的化學(xué)成分Table 5 Chemical composition（by mass）of surface rust material %

2 試驗方法

將銹染砂巖、大理巖、板巖、砂巖加工成粒徑為2.5～5.0mm的較粗顆粒，篩除大理巖人工砂中2.5mm以上顆粒.混凝土中粗骨料與大理巖人工砂的質(zhì)量比為1∶1，按照粉煤灰摻量35%，水膠比0.30在砂漿8字試模中成型小尺寸混凝土抗拉強度試件，每組6塊試件.試件成型后標準養(yǎng)護至28，90d齡期，采用CMT4304型30kN微機電子萬能試驗機進行8字?？估瓘姸仍囼?

在水灰比為0.30，粉煤灰摻量為35%的攪拌均勻的凈漿中，加入顆粒尺寸為2.5～5.0mm，體積分數(shù)為40%的不同巖性骨料，成型40mm×40mm×40mm立方體試樣，每組3～5塊，將其標準養(yǎng)護至28，90d齡期，用切片機切割成10mm厚的正方形薄片，拋光后進行顯微硬度測試；同時選取試樣中心部位的小碎塊用無水乙醇終止水化，在60℃下干燥至恒重，選取含有骨料－水泥漿體界面過渡區(qū)的新鮮平整斷面用于ITZ水化產(chǎn)物SEM形貌分析和EDS化學(xué)成分分析.掃描電鏡為日本電子生產(chǎn)的JSM－6610LA型，工作電壓20kV，工作距離10mm；顯微硬度計為上海聯(lián)爾試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HVS－1000型數(shù)顯顯微硬度計.

采用Siemens Sensation 40醫(yī)用螺旋X射線CT掃描儀進行混凝土細觀損傷試驗.選用錦屏一級水電站大壩四級配強度等級為C18035的混凝土配合比，濕篩篩除大于20mm粒徑的粗骨料，成型φ60×120mm的一級配混凝土圓柱體試件（在試件上附加了加載裝置），粗骨料分別為銹染砂巖、大理巖、板巖及砂巖骨料.試件標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，首先沿未施加荷載的試件軸心方向等距離選取J1～J7等7個圓形掃描斷面進行初次掃描；初次掃描終止后，對試件進行單軸加壓，在試件持荷狀態(tài)下再次進行CT掃描，掃描斷面位置不變；逐步增加荷載，進行不同持荷狀態(tài)下的CT掃描.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同骨料對混凝土抗拉強度的影響

8字模小尺寸混凝土抗拉強度試驗結(jié)果見表6.由于試驗采用的粗骨料尺寸均為2.5～5.0mm，因此骨料級配的影響可以排除，并且骨料粒形的影響也較小，試驗結(jié)果反映的主要是不同巖性骨料的化學(xué)成分、礦物組成及表面織構(gòu)的影響.由表6可見，銹染砂巖混凝土與大理巖混凝土的抗拉強度相近，但比砂巖混凝土的抗拉強度低3%～4%，板巖混凝土的抗拉強度比砂巖混凝土高8%～10%.

表6 混凝土抗拉強度Table 6 Tensile strength of concrete

3.2 不同骨料界面區(qū)的顯微硬度

不同骨料界面區(qū)顯微硬度見圖1.由圖1可見，隨著與骨料界面距離的增加，不同骨料漿體的顯微硬度均有增大的趨勢.在距骨料界面1 000μm左右時，不同骨料漿體的顯微硬度為1 000～2 000.有研究表明，界面過渡區(qū)的范圍約為50μm，在距骨料界面50μm范圍內(nèi)，不同骨料界面區(qū)的顯微硬度依次為砂巖＞板巖＞銹面砂巖＞大理巖＞銹染砂巖；銹染砂巖骨料的界面區(qū)寬度要明顯寬于其他骨料，顯微硬度則明顯低于其他骨料，在距骨料界面150μm范圍內(nèi)的顯微硬度仍然較低.骨料－漿體界面區(qū)顯微硬度的試驗結(jié)果離散型較大，這是因為成型方向、樣品加工、骨料粒形、骨料間隙器壁作用、漏斗效應(yīng)［3］等都會改變ITZ的厚度和結(jié)構(gòu)，增加了問題的復(fù)雜程度，因此有必要擴大測點數(shù)量，使試驗結(jié)果呈現(xiàn)較好的趨勢性.

圖1 不同骨料界面區(qū)顯微硬度Fig.1 Microhardness of ITZ of different aggregate

3.3 不同骨料混凝土的細觀損傷破壞

CT技術(shù)是無損、定量、動態(tài)分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的檢測技術(shù).該技術(shù)依據(jù)射線穿過介質(zhì)的衰減程度正比于介質(zhì)密度這一原理，獲得反映材料內(nèi)部密度信息的數(shù)字圖像.CT斷層掃描獲取的是試件斷層區(qū)域內(nèi)線性衰減系數(shù)μ（x，y）的二維分布，μ（x，y）與物體的密度直接相關(guān).早期CT技術(shù)工作者以水的衰減系數(shù)為標準定義了CT數(shù)Hp［3］，即：

式中：μm，μw分別為介質(zhì)與水的衰減系數(shù).

通過式（1）可以得到掃描圖像上每個像素點的CT數(shù)，而每個CT數(shù)對應(yīng)1個灰度值，如此就形成了1個斷層灰度圖的數(shù)字矩陣.經(jīng)過三維重構(gòu)，可以獲得整個物體內(nèi)部的空間組成.有研究表明，混凝土各相介質(zhì)CT數(shù)的閾值分別為：硬化水泥砂漿2 000～2 200，骨料2 200～3 071，界面過渡區(qū)1 000～1 600［4］.

本文采用CT在線加載裝置，利用CT技術(shù)和圖像差值法研究了不同骨料混凝土在承荷作用下的損傷演變過程.CT圖像差值法是通過對試件同一斷面不同應(yīng)力階段的CT圖像進行差值運算，即相同位置像素點的灰度值直接相減，得到CT圖像差值矩陣分布，再將各像素點的灰度差值與相應(yīng)閾值進行對比，當差值高于設(shè)定的閾值時，認為其對應(yīng)的區(qū)域已產(chǎn)生了新的裂紋.根據(jù)灰度差值大于閾值的像素點的累計可以計算掃描斷面中的總裂紋面積，并可以定位裂紋位置，了解裂紋形態(tài).

90d齡期的不同骨料混凝土在不同荷載條件下產(chǎn)生的裂紋面積比率統(tǒng)計見圖2～5.試驗結(jié)果表明，在試驗選取的16MPaⅠ級荷載應(yīng)力下，板巖混凝土各掃描斷面新生的裂紋面積為斷面尺寸的0.10%～0.20%，僅J7斷面為0.28%，低于其他骨料混凝土；砂巖混凝土各斷面裂紋面積平均值與銹染砂巖混凝土相當，但砂巖混凝土各斷面的裂紋面積較為平均，而銹染砂巖混凝土各斷面的裂紋面積差異較大，其比率在0.20%～0.70%較大范圍內(nèi)變化.當荷載增加到21MPaⅡ級荷載時，混凝土的裂紋擴展，裂紋面積增大.其中板巖混凝土裂紋擴展最快，各斷面平均裂紋面積略低于銹染砂巖混凝土，但略高于砂巖混凝土.以上3種骨料混凝土在Ⅱ級荷載應(yīng)力下，各斷面裂紋面積比率均低于1.00%，平均為0.50%～0.60%，說明它們抵抗荷載作用下的裂紋擴展能力較好.試驗結(jié)果顯示，大理巖混凝土的起裂荷載明顯低于上述3種骨料混凝土，在Ⅰ級荷載應(yīng)力作用下，其裂紋面積迅速增長至較高水平，裂紋面積平均為斷面面積的2.70%，此后隨荷載增加，裂紋緩慢擴展.圖6～9顯示了經(jīng)過CT圖像差值法處理的不同骨料混凝土在不同荷載作用下的斷面裂紋擴展過程.從以上各圖可以清晰地看到，荷載作用下混凝土裂紋多數(shù)沿著骨料和內(nèi)部孔洞周邊擴展，因此骨料的界面特性對混凝土的強度和抗裂性能有著重要作用.

圖2 板巖混凝土各斷面開裂面積比率Fig.2 Cracking area proportion of sections of slate aggregate concrete

圖3 大理巖混凝土各斷面開裂面積比率Fig.3 Cracking area proportion of sections of marble aggregate concrete

圖4 銹染砂巖混凝土各斷面開裂面積比率Fig.4 Cracking area proportion of sections of rust dye sandstone aggregate concrete

圖5 砂巖混凝土各斷面開裂面積比率Fig.5 Cracking area proportion of sections of sandstone aggregate concrete

圖6 板巖混凝土J5斷面在不同荷載作用下的裂紋Fig.6 Cracks of J5section of slate concrete in different loads

3.4 不同骨料界面區(qū)的漿體結(jié)構(gòu)和形貌

圖7 大理巖混凝土J3斷面在不同荷載作用下的裂紋Fig.7 Cracks of J3section of marble concrete in different loads

圖8 銹染砂巖混凝土J7斷面在不同荷載作用下的裂紋Fig.8 Cracks of J7section of rust dye sandstone concrete in different loads

圖9 砂巖混凝土J6斷面在不同荷載作用下的裂紋Fig.9 Cracks of J6section of sandstone concrete in different loads

90d齡期的不同骨料界面區(qū)漿體和內(nèi)部漿體水化產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果見表7，表7中“ITZ－平均”是指通過界面區(qū)較大區(qū)域內(nèi)的EDS分析得出的界面區(qū)元素平均組成.由表7可見，排除Ca（OH）2晶體富集區(qū)的測試結(jié)果，骨料界面區(qū)漿體的鈣硅比明顯大于內(nèi)部漿體.有研究表明，56d齡期后低C3S中熱水泥的鈣硅比通常為1.5～2.3［5］，而界面區(qū)由于鈣礬石及Ca（OH）2所占比例較高，因此界面區(qū)漿體的鈣硅比明顯高于內(nèi)部漿體.不同骨料界面區(qū)平均鈣硅比依次為銹染砂巖＞大理巖＞銹面砂巖＞板巖＞砂巖.

骨料界面區(qū)漿體與內(nèi)部漿體的微觀形貌對比見圖10～13.由圖10～13可見，骨料界面區(qū)漿體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部漿體結(jié)構(gòu)有明顯差異，界面區(qū)大量生長著長10～20μm的針狀鈣礬石晶體和層片狀Ca（OH）2晶體，漿體多孔疏松，而遠離骨料的漿體結(jié)構(gòu)已非常致密，可以看到被致密的Ⅲ型C－S－H凝膠緊密包圍的未水化粉煤灰顆粒和結(jié)晶良好團聚堆積的Ca（OH）2晶體.同時還可看到，銹染砂巖界面區(qū)針狀鈣礬石晶體所占比例最高，晶體尺寸較大，多呈團聚狀堆積；板巖界面區(qū)針狀鈣礬石晶體多呈網(wǎng)狀堆積，晶體尺寸較大；砂巖和大理巖骨料界面區(qū)的針狀鈣礬石呈放射狀向外輻射延伸，此外大理巖骨料界面區(qū)的Ca（OH）2晶體所占比例最高.根據(jù)吸附理論［6］，大理巖骨料表面的方解石CaCO3對水泥水化釋放出的Ca2＋具有優(yōu)先吸附作用，因此Ca（OH）2晶體更易在大理巖骨料表面成核生長.另外，EDS分析表明，銹面砂巖界面區(qū)針狀鈣礬石晶體較少，但Ca（OH）2晶體所占比例較高.Ca（OH）2晶體在骨料

界面區(qū)的擇優(yōu)定向生長和AFt晶體在界面區(qū)雜亂無章的富生長分布顯著降低了各骨料－漿體界面結(jié)構(gòu)的致密性，從而削弱了界面區(qū)的承載能力.

表7 界面區(qū)漿體及內(nèi)部漿體水化產(chǎn)物EDS元素分析Table 7 EDS elemental analysis of hydration product of ITZ paste and internal paste

圖10 板巖混凝土界面區(qū)漿體與內(nèi)部漿體形貌對比（90d）Fig.10 ITZ paste and internal paste of slate concrete at 90d（2 500×）

圖11 銹染砂巖混凝土界面區(qū)漿體與內(nèi)部漿體形貌對比（90d）Fig.11 ITZ paste and internal paste of rust dye sandstone concrete at 90d（2 500×）

圖12 大理巖混凝土界面區(qū)漿體與內(nèi)部漿體形貌對比（90d）Fig.12 ITZ paste and internal paste of marble concrete at 90d（1 500×）

圖13 砂巖混凝土界面區(qū)漿體與內(nèi)部漿體形貌對比（90d）Fig.13 ITZ paste and internal paste of sandstone concrete at 90d（2 500×）

3.5 結(jié)果討論

對骨料界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，雖然5種骨料界面區(qū)的水化產(chǎn)物形態(tài)基本類似，但不同骨料界面水化產(chǎn)物的數(shù)量、尺寸和生長發(fā)育特性均有所不同.這表明骨料巖石的化學(xué)成分和礦物組成，以及骨料礦物的表面結(jié)構(gòu)確實影響了骨料－漿體界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu).不同骨料界面區(qū)的鈣硅比與其顯微硬度有著良好的對應(yīng)關(guān)系，鈣硅比越高則顯微硬度越低，高鈣硅比的水化產(chǎn)物中鈣礬石晶體和Ca（OH）2晶體含量高，對應(yīng)結(jié)構(gòu)孔隙率高，從而使其顯微硬度低.長針狀鈣礬石晶體在銹染砂巖表面的簇團生長現(xiàn)象和Ca（OH）2晶體在大理巖骨料表面強烈的擇優(yōu)生長趨勢，使銹染砂巖和大理巖骨料界面過渡區(qū)增大，界面區(qū)強度明顯低于其他3種骨料.鈣礬石晶體在銹染砂巖表面簇團生長機理還需進一步研究.

大理巖骨料界面區(qū)的特性將對混凝土的強度產(chǎn)生不利影響.在受壓作用下，大理巖骨料界面區(qū)的微裂隙沿骨料界面快速擴展，CT掃描試驗表明，在較小的壓荷載下大理巖混凝土就會產(chǎn)生較多的微裂紋，起裂強度明顯低于其他骨料混凝土，這可能表明層片狀生長的Ca（OH）2晶體對界面區(qū)強度的影響大于團聚生長的鈣礬石晶體.通常認為粗骨料與砂漿間的界面黏結(jié)強度對混凝土的彈性模量及抗壓強度影響較小，但提高界面黏結(jié)強度可以改善混凝土的抗拉強度［7－8］，在受拉作用下，大理巖混凝土的抗拉強度與銹染砂巖混凝土相當，低于板巖與砂巖混凝土.除板巖外，不同骨料混凝土的抗拉強度與骨料界面特性也有較好的對應(yīng)關(guān)系.

4 結(jié)論

（1）排除骨料級配對混凝土抗拉強度的影響，板巖混凝土的抗拉強度比砂巖混凝土高8%～10%，銹染砂巖混凝土與大理巖混凝土的抗拉強度比砂巖混凝土的抗拉強度低3%～4%.

（2）銹染砂巖骨料的界面過渡區(qū)寬度約150μm，明顯寬于砂巖骨料和板巖骨料的界面過渡區(qū)（約50μm）.骨料界面區(qū)顯微硬度依次為砂巖＞板巖＞銹面砂巖＞大理巖＞銹染砂巖.

（3）受壓作用下，大理巖混凝土的起裂強度明顯低于砂巖、板巖和銹染砂巖混凝土，砂巖混凝土的起裂強度最高.相同荷載條件下，大理巖混凝土的裂紋面積遠高于其他骨料混凝土.隨荷載增加，板巖混凝土裂紋面積迅速增加，與砂巖、銹染砂巖混凝土在同等荷載條件下的裂紋面積相當.骨料的界面特性對混凝土的強度和抗裂性能有著重要作用.

（4）不同骨料的化學(xué)成分和礦物組成影響了界面區(qū)水化產(chǎn)物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和生長發(fā)育特性，改變了界面區(qū)微結(jié)構(gòu).長針狀鈣礬石晶體在銹染砂巖表面的簇團生長現(xiàn)象和Ca（OH）2晶體在大理巖骨料表面強烈的擇優(yōu)生長趨勢，使銹染砂巖和大理巖骨料界面過渡區(qū)增大，其界面區(qū)強度明顯低于銹面砂巖、板巖和砂巖；骨料的界面區(qū)顯微硬度與界面區(qū)鈣硅比有著良好的對應(yīng)關(guān)系.

［1］ MEHTA P K，MONTEIRO P J M.Concrete：Microstructure，properties and materials［M］.3rd ed.New York：The McGraw－Hill Professional，2006：3－4.

［2］ 陳惠蘇，孫偉，STROEVEN P.水泥基復(fù)合材料界面對材料宏觀性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2005，8（1）：51－61.CHEN Huisu，SUN Wei，STROEVEN P.Review on the study of effect of ITZ on the macro properties of cementitious composite［J］.Journal of Building Materials，2005，8（1）：51－61.（in Chinese）

［3］ 姜袁，柏巍，戚永樂，等.基于CT掃描數(shù)據(jù)的混凝土細觀結(jié)構(gòu)的三維重建［J］.三峽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，30（1）：52－55.JIANG Yuan，BAI Wei，QI Yongle，et al.Reconstruction of 3D model of concrete mesastructure with CT original data［J］.Journal of China Three Gorges University：Natural Science，2008，30（1）：52－55.（in Chinese）

［4］ 劉漢昆，孫超，李杰.基于CT掃描的混凝土三維細觀數(shù)值模擬［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2010，27（1）：54－59.LIU Hankun，SUN Chao，LI Jie.Three－demensional mesoscopic numerical simulation of concrete based on CT scan［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（1）：54－59.（in Chinese）

［5］ 陳益民，許仲梓.高性能水泥制備和應(yīng)用的科學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：244－246.CHEN Yimin，XU Zhongzi.Scientific basis of high performance cement preparation and application［M］.Beijing：Chemistry Industry Press，2008：244－246.（in Chinese）

［6］ 章春梅，RAMACHANDRAN V S.碳酸鈣微集料對硅酸三鈣水化的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報，1988，16（2）：110－117.ZHANG Chunmei，RAMACHANDRAN V S.Effects of calcium carbonate micro aggregate on the hydration of tricalcium silicate［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，1988，16（2）：110－117.（in Chinese）

［7］ DARWIN D.The interfacial transition zone：“Direct”evidence on compressive response［C］∥Microstructure of Cement－Based Systems／Bonding and Interfaces in Cementitious Materials（MRS Vol 370）.Pittsburgh：Materials Research Society，1995：419－427.

［8］ CHEN Z Y，WANG J G.Effect of bond strength between aggregate and cement paste on the mechanical behaviour of concrete［C］∥Bonding in Cementitious Composites（MRS Vol 370）.Pittsburgh：Materials Research Society，1988：41－48.