劉杰， 奚家米，， 賈海梁， 王新剛

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710069；2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054）

0 引言

在寒區(qū)凍融作用對巖石-混凝土界面的粘結(jié)性有顯著影響。近年來，隨著寒區(qū)基礎(chǔ)工程的不斷發(fā)展，人們越來越重視凍融作用對工程安全性與穩(wěn)定性的影響?；炷磷鳛閹r石工程（隧道工程，巖石邊坡等）的重要支護手段之一，與圍巖共同承載外力，依靠接觸面?zhèn)鬟f應(yīng)力與位移。由于巖石和混凝土的材料性能不同，它們之間的相互作用必然影響巖石-混凝土系統(tǒng)的穩(wěn)定性，兩者界面通常被認為是薄弱結(jié)構(gòu)面，在實際工程中應(yīng)加以重視。

巖體與混凝土內(nèi)部存在著各種類型缺陷，在反復(fù)凍融作用下，冰水相變導(dǎo)致這些缺陷受反復(fù)凍脹荷載而不斷擴展，巖石-混凝土之間的薄弱相互作用面也會脫粘、錯動、甚至斷裂，進而導(dǎo)致混凝土支護工程失效。因此，巖石-混凝土之間的粘結(jié)性能是支護結(jié)構(gòu)能否很好發(fā)揮功能的關(guān)鍵。研究凍融作用下巖石-混凝土接觸面的損傷劣化機制對寒區(qū)大量興起的工程建設(shè)具有重要的理論意義和實際價值，文中通過查閱分析相關(guān)文獻資料，主要針對凍融作用下巖石-混凝土界面損傷的研究進行綜述，期望為以后此方面的研究提供一定的參考價值。

1 巖石-混凝土界面凍融損傷演化規(guī)律

1.1 力學(xué)性質(zhì)的劣化

凍融作用會明顯弱化巖石或混凝土的強度，并劣化巖石-混凝土的膠結(jié)性能，相關(guān)研究成果見表1。

表1 凍融作用對巖石-混凝土力學(xué)性質(zhì)劣化方面

1.2 物理性質(zhì)變化

凍融循環(huán)作用會促進巖石或混凝土內(nèi)部孔隙的擴展和貫通，提高孔隙度，加劇了材料內(nèi)部的損傷破壞。周科平等［5］利用核磁共振技術(shù)研究了凍融循環(huán)前后巖石的孔隙特征，試驗結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)的不斷增加，巖石內(nèi)部孔隙度不斷增大，造成了巖石強度的損失；田威等［6］利用CT掃描技術(shù)研究了混凝土的凍融損傷過程，結(jié)果表明在凍融損傷初期，由于水分逐漸滲入孔隙，CT數(shù)均值逐漸增加；隨著凍融次數(shù)的增加，試件內(nèi)部裂紋不斷擴展，導(dǎo)致了CT數(shù)均值大幅降低。

凍融循環(huán)使巖石或混凝土的孔隙增加，導(dǎo)致其波速特征發(fā)生了衰減。郭長寶等［7］對花崗巖開展了凍融循環(huán)力學(xué)試驗，并通過核磁共振法和波速法分析了其損傷發(fā)展趨勢，試驗結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用使花崗巖內(nèi)部產(chǎn)生了裂隙，加劇了巖石的內(nèi)部損傷，巖石的波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；巖石的峰值強度、殘余強度以及彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下花崗巖-混凝土界面宏觀裂紋擴展情況。

圖1 不同凍融次數(shù)下花崗巖-混凝土界面裂紋擴展情況

2 巖石-混凝土界面凍融損傷的影響因素

巖石-混凝土界面的粘結(jié)力對支護效果至關(guān)重要，因此眾多學(xué)者對影響界面粘結(jié)性能的因素進行了充分的研究，主要研究成果見表2。

表2 巖石-混凝土界面粘結(jié)力影響因素方面主要研究成果

2.1 自身性質(zhì)

孔隙率是影響巖石或混凝土凍融損傷的重要因素。奚家米等［12］對經(jīng)歷凍融作用前后的粗粒砂巖和中粒砂巖的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后兩種砂巖的吸水率均增加，單軸抗壓強度都有一定程度的降低，并且粗礫砂巖的強度折減最大，說明了砂巖的內(nèi)部孔隙分布與含水率是控制凍融損傷的關(guān)鍵因素。

巖性對巖石-混凝土界面的強度和破壞模式也有一定的影響。謝和平等［13］在巖石-混凝土界面的抗剪強度方面進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)界面剪切破壞模式和兩介質(zhì)的強度比密切相關(guān)，隨著界面粗糙度的增加界面抗剪強度越來越依賴于界面兩側(cè)強度較弱材料的機械性能。

2.2 界面狀態(tài)

巖石-混凝土膠結(jié)面的抗剪強度主要由兩部分組成，一部分是界面間凹凸體咬合產(chǎn)生的機械強度，另一部分是界面膠結(jié)力，巖石-混凝土界面剪切強度方面的主要研究成果見表3。

表3 巖石-混凝土界面剪切強度方面的主要研究

在界面狀態(tài)方面，影響界面膠結(jié)性能的主要因素有含水量、親疏水性質(zhì)、清潔程度等。

在凍融循環(huán)作用下，含水量是凍融損傷發(fā)生的關(guān)鍵。Mainali［17］對凍融作用下花崗巖-混凝土進行了粘結(jié)性能試驗研究，認為水是界面產(chǎn)生裂紋的根源；何鵬飛等［18］基于直剪試驗，研究了凍融循環(huán)對凍土-混凝土界面強度的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對峰值剪切強度的影響大于殘余剪切強度的影響，凍融過程試件水分向界面遷移形成冰膜，導(dǎo)致不同的初始含水率和溫度對界面峰值強度的影響明顯。

巖石的親疏水性質(zhì)對界面的粘結(jié)強度有重要影響。Shen等［19］針對花崗巖-混凝土復(fù)合試件的界面進行了一系列的傾斜剪切試驗，試驗結(jié)果表明，對相同JRC，親水性界面的粘結(jié)強度大于疏水界面；界面粗糙度越嚴重，親水性對粘結(jié)性的影響越弱；沈承中［20］指出，由于疏水性巖石的巖面與噴射混凝土的漿液呈互斥狀態(tài)，漿液不能充分進入巖面，因此噴射混凝土與疏水性圍巖的粘結(jié)性更差。而親水性巖石表面易吸收混凝土漿體水分，導(dǎo)致C-S-H基團可以較易浸入巖石內(nèi)部，通過水化反應(yīng)產(chǎn)生“樹根狀”效應(yīng)，從而提高巖石-混凝土膠結(jié)力［21］。

2.3 外部因素

外部環(huán)境對巖石-混凝土界面凍融損傷的發(fā)展同樣有重要影響。馬秋娟等［22］采用鉆芯拉拔法研究了巖壁溫度對巖石-噴射混凝土粘結(jié)強度的影響。結(jié)果表明，在空氣相對濕度為90°C的養(yǎng)護條件下，巖壁溫度越高，圍巖-噴射混凝土之間的粘結(jié)性越低；王明年等［23］對巖石-混凝土界面進行了室內(nèi)剪切試驗，發(fā)現(xiàn)隨著初始養(yǎng)護溫度的不斷升高，界面剪切破壞模式由沿膠結(jié)面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌霞羟衅茐?，且峰值剪切?yīng)力不斷降低；崔圣愛等［24］采用改進的鉆芯拉拔法，測試了干熱工況條件下齡期為7d和28d的圍巖與噴射混凝土的粘結(jié)強度，發(fā)現(xiàn)相比20°C標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護溫度，干熱養(yǎng)護條件下圍巖與噴射混凝土的粘結(jié)強度發(fā)生嚴重倒縮，且干熱環(huán)境對28d齡期的粘結(jié)強度影響更大；Tian等［25］研究了不同法向應(yīng)力下具有光滑巖石表面的巖石-混凝土界面的剪切特性，指出在較小法向應(yīng)力作用下，峰值剪切應(yīng)力主要取決于界面的粘結(jié)強度，同時在法向應(yīng)力增大的過程中，界面會發(fā)生突然破壞和逐漸破壞兩種破壞過程；Tang等［26］研究了溫度和濕度對圍巖-噴射混凝土粘結(jié)強度的影響，研究人員認為溫度的升高增加了界面孔隙的數(shù)量，從而降低了界面粘結(jié)強度，同時相對濕度的增加提高了界面的粘結(jié)強度。

綜上所述，影響巖石-混凝土界面強度的因素有很多見圖2，主要為材料自身性能、界面狀態(tài)。此外，外部環(huán)境也對界面凍融損傷有一定程度影響

圖2 影響巖石-混凝土界面強度的因素

3 巖石-混凝土界面過渡區(qū)（ITZ）凍融損傷機制

混凝土界面過渡區(qū)（ITZ）是介于水泥漿體和集料之間的第三相，由于水泥漿體與集料的自身性質(zhì)不同，因此在兩者接觸區(qū)會產(chǎn)生明顯的界面效應(yīng)，表現(xiàn)為ITZ的物理力學(xué)性能低于集料與水泥漿體。眾多學(xué)者對ITZ的微觀力學(xué)性質(zhì)進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著與集料距離的增加，ITZ的力學(xué)性質(zhì)先降低后升高，呈現(xiàn)出典型的“U”字型特征，因此ITZ被認為是混凝土的薄弱帶，也是混凝土最先損傷破壞的地方［27］見圖3。

圖3 不同凍融次數(shù)下砂巖-混凝土ITZ的微觀結(jié)構(gòu)變化

同樣的，ITZ概念也被應(yīng)用于其他復(fù)合材料，如Wall等［28］將舊混凝土認為“集料”，進行了新舊混凝土界面過渡區(qū)（ITZ）的研究。對于巖石-混凝土二元體，水泥漿體作為巖石和混凝土連接的“橋梁”，也具有明顯的界面效應(yīng)，因此可將巖石作為“集料”看待，研究巖石-混凝土界面過渡區(qū)（ITZ）。由于巖石-混凝土ITZ容易在外界條件下脫粘損傷，因此研究ITZ的凍融損傷機制是非常有必要的。

凍融作用對ITZ的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)具有明顯的劣化作用。ITZ由于自身特性，成為了水分遷移的快速通道，加速了凍融損傷的劣化。

謝瑞峰等［29］對超高性能混凝土界面過渡區(qū)ITZ的微觀力學(xué)性能進行了研究，并且發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，ITZ微孔逐漸增多、彈性模量降低，并且在經(jīng)歷1500次凍融循環(huán)后，ITZ厚度從20um擴展到了65um；陳仁宏等［30］利用納米壓痕和掃描電鏡對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土ITZ進行了試驗研究，結(jié)果表明不同的尺度下，凍融作用對ITZ的影響不同。在納米尺度下，水促進了高密度水凝膠的生長，而在微米尺度下，材料會出現(xiàn)微裂紋，導(dǎo)致混凝土性能退化；Yang等［31］對混凝土ITZ進行了顯微硬度測試，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ITZ的硬度減小，同時ITZ結(jié)構(gòu)逐漸松散，厚度增大，導(dǎo)致混凝土強度降低；Lei等［32］利用掃描電鏡對混凝土試塊進行了探究，認為ITZ在凍融后產(chǎn)生了空隙，削弱了結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致了水泥漿的凝結(jié)能力下降，出現(xiàn)明顯劣化。

水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠作為硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物，是水泥粘結(jié)能力的主要來源，而C-S-H的凝結(jié)膠結(jié)能力主要來源于氫鍵。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵逐漸斷裂，導(dǎo)致ITZ的微觀力學(xué)性質(zhì)不斷降低，最終出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象［33］。

綜上所述，凍融循環(huán)通過破壞C-S-H的氫鍵，降低了ITZ的硬度和彈性模量、增加了ITZ的孔隙率和厚度，從而劣化了微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。

4 應(yīng)用展望

（1）目前國內(nèi)外學(xué)者對單一介質(zhì)材料的凍融損傷或常溫狀態(tài)下一體兩介質(zhì)的損傷方面研究成果較多，而對如巖石-混凝土一體兩介質(zhì)的凍融損傷研究較少，隨著寒區(qū)工程建設(shè)的不斷發(fā)展，此方面的研究將是未來一體兩介質(zhì)研究的重點方向。

（2）ITZ是巖石-混凝土發(fā)揮粘結(jié)強度的關(guān)鍵，但是對ITZ微觀結(jié)構(gòu)的凍融損傷研究目前還主要停留在定性階段，定量研究發(fā)展尚不充分；同時目前的ITZ模型大多是在常溫環(huán)境下提出的，適用于凍融環(huán)境下的ITZ模型還需要進一步研究。

（3）由于巖石-混凝土界面的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，因此在研究時，多因素耦合下凍融損傷的全方位研究非常必要。

（4）巖體的損傷尺度與相應(yīng)尺度的損傷識別是研究巖體多尺度凍融損傷的關(guān)鍵。微細觀凍融損傷識別可直接反映損傷的擴展演化，而宏觀凍融損傷識別可反映其力學(xué)性質(zhì)的變化。因此，損傷識別技術(shù)在凍融損傷方面的研究還需不斷深入，如：CT圖像結(jié)果和SEM技術(shù)的定量化識別分析、基于NWR技術(shù)的系統(tǒng)化理論的建立。

5 結(jié)語

（1）在季節(jié)性凍土區(qū)，巖石-混凝土系統(tǒng)的穩(wěn)定性對工程的安全有著重大影響，巖石-混凝土界面作為薄弱環(huán)節(jié)最易受到凍融作用的影響，致使強度下降，從而導(dǎo)致支護工程失效。因此，巖石-混凝土界面的凍融損傷研究是十分重要的。

（2）總結(jié)了巖石-混凝土界面的凍融損傷演化過程和界面強度影響因素，同時對巖石-混凝土ITZ的凍融損傷機理進行了分析，較全面地歸納總結(jié)了巖石-混凝土界面凍融損傷方面的研究成果，可以為興起的寒區(qū)工程發(fā)展提供參考依據(jù)。

（3）考慮到巖石-混凝土界面強度對工程的重要性，應(yīng)采取一些措施來提高界面強度，如通過人工鑿刻增加界面粗糙度、預(yù)先噴涂界面劑、添加礦物摻合料、優(yōu)選骨料、改善試件制作養(yǎng)護工藝、降低水灰比等。目的是改善界面的力學(xué)性能，從而延長寒區(qū)混凝土支護工程的使用年限。