崔皓楠，程海麗，李宗源

(北方工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院，北京 100043)

0 前 言

當(dāng)今世界，混凝土材料仍是建筑行業(yè)的主流材料。隨著微觀探索科技的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的人從微觀角度著手進(jìn)行混凝土研究。人們由此發(fā)現(xiàn)了混凝土界面過(guò)渡區(qū)的存在?；炷两缑孢^(guò)渡區(qū)[1](Interface Transition Zone，簡(jiǎn)稱(chēng)ITZ)是指組成混凝土的不同材料之間的交界區(qū)域，該交界區(qū)域的性質(zhì)與混凝土材料中各單一材料性質(zhì)具有很大差異，所以，混凝土內(nèi)部材料交界區(qū)域的研究是很重要的一個(gè)領(lǐng)域。在混凝土應(yīng)用的早期，人們只關(guān)注混凝土的宏觀性能，把混凝土看作一種連續(xù)均勻的材料，忽略了混凝土內(nèi)部中各種材料的差異性。隨著微觀觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部的各種材料的組成并不均勻。各種材料之間的性能差異也很明顯。歐陽(yáng)利軍等[2]使用被染色樹(shù)脂染過(guò)色的砂漿與骨料拌和制成混凝土，發(fā)現(xiàn)在骨料與水泥漿體之間有一層染色的環(huán)狀過(guò)渡區(qū)域，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象提出了混凝土界面過(guò)渡區(qū)的概念。1983年解松善研究混凝土界面過(guò)渡區(qū)時(shí)，從骨料至砂漿的過(guò)渡區(qū)域，將界面過(guò)渡區(qū)分為:滲透擴(kuò)散層、接觸層、富集層、弱效應(yīng)層等4層的微觀結(jié)構(gòu)模型。吳中偉院士在研究混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，氫氧化鈣和鈣礬石含量較多、晶體較大、生長(zhǎng)取向明顯，水灰比高、孔隙率大，是混凝土中的薄弱點(diǎn)，也是復(fù)合材料的基本問(wèn)題，更是關(guān)鍵問(wèn)題，決定了復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。該區(qū)域因其獨(dú)特的內(nèi)部微觀特性被研究者認(rèn)為是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。Hsu等[3]通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度約為其水泥基抗拉強(qiáng)度的33%～67%。所以說(shuō)，界面過(guò)渡區(qū)性能所表現(xiàn)出來(lái)的好壞對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性都有著巨大的影響。

在國(guó)外，界面過(guò)渡區(qū)的研究起步較早。歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家在二戰(zhàn)后期就開(kāi)始了對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)的研究與開(kāi)發(fā)[4]。并且已經(jīng)利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)到的圖片繪制出了三維過(guò)渡區(qū)模型，并利用此模型對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性做出了很大的改善。而在我國(guó)，關(guān)于混凝土界面過(guò)渡區(qū)的理論研究雖然取得了一定成果，但仍處于起步階段。鑒于此，本研究對(duì)影響混凝土界面過(guò)渡區(qū)的因素進(jìn)行總結(jié)，旨在為我國(guó)在混凝土界面過(guò)渡區(qū)方面的理論研究提供參考。

1 界面過(guò)渡區(qū)的形成機(jī)制與特征

一般混凝土的界面過(guò)渡區(qū)就是指包裹著粗骨料的一塊薄薄區(qū)域。界面過(guò)渡區(qū)形成的原因主要是由于骨料的性質(zhì)與水泥漿體的性質(zhì)存在著較大的差異，使骨料周?chē)缑孢^(guò)渡區(qū)形成一層較水泥漿體相對(duì)弱化的過(guò)渡界面。目前，國(guó)內(nèi)外主流的一些觀點(diǎn)認(rèn)為混凝土界面過(guò)渡區(qū)的形成可歸結(jié)于“單邊生長(zhǎng)效應(yīng)”“邊界效應(yīng)”“漿體的收縮效應(yīng)”“離子的遷移和沉淀成核效應(yīng)”“絮凝效應(yīng)”以及“微區(qū)泌水效應(yīng)”等。其中“微區(qū)泌水效應(yīng)”與“邊界效應(yīng)”[5]被大部分學(xué)者所接受并驗(yàn)證。

界面過(guò)渡區(qū)是一層肉眼觀察不到的區(qū)域，目前人類(lèi)通過(guò)掃描電鏡等方法觀察到的界面過(guò)渡層有許多不同于組成混凝土單一材料的特性。大部分研究人員都認(rèn)同在界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)，有著大量定向排列Ca(OH)2(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為CH)結(jié)晶。過(guò)渡范圍內(nèi)，骨料表面充滿(mǎn)了定向排列的六方片狀的CH結(jié)晶體；中間層分布著CH及鈣礬石針狀晶體(Aft，AFm)及少量的C-S-H凝膠。Bentur[6]通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到骨料表面存在著厚度大約100μm的特殊區(qū)域(及界面過(guò)渡區(qū)，ITZ)。該ITZ包括兩層:一層是在粗骨料表面的雙層膜，深度約為1 μm。其成分為CH晶體和C-S-H凝膠。另一層是深20～100 μm的多孔過(guò)渡層，其中含有較多的CH晶體、部分C-S-H凝膠和少量的鈣礬石。因此，Bentur得出的結(jié)論是：界面應(yīng)該包括兩個(gè)弱面，即粗骨料表面(骨料接觸層)和多孔過(guò)渡區(qū)(或稱(chēng)為基質(zhì)接觸層)。這兩個(gè)層統(tǒng)稱(chēng)為ITZ。這些薄弱的表面將影響混凝土的耐久性。

2 影響界面過(guò)渡區(qū)的因素

2.1 骨料類(lèi)型對(duì)過(guò)渡區(qū)的影響

骨料(在此指天然礦物骨料)的種類(lèi)繁多，不同地區(qū)的骨料成分有很大的不同。從微觀化學(xué)鍵的角度來(lái)看，大致可分為兩大類(lèi)：離子鍵作用和共價(jià)鍵作用。離子鍵作用就是骨料成分在堿性水泥漿體環(huán)境下其離子鍵發(fā)生“斷鍵”，形成C-S-H、CH等產(chǎn)物。這些產(chǎn)物會(huì)填充界面過(guò)渡區(qū)中的孔隙，對(duì)界面過(guò)渡區(qū)起增強(qiáng)作用[7]。共價(jià)鍵作用是指骨料中的成分是以共價(jià)鍵連接在一起，在堿性水泥漿體的環(huán)境中不易發(fā)生化學(xué)鍵的“斷鍵”。所以以共價(jià)鍵形成的礦物骨料表面不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其與水泥漿體的結(jié)合主要靠接觸面機(jī)械作用粘結(jié)。

從宏觀整體角度[8]來(lái)看，利用物理破碎的粗骨料表面粗糙，可以產(chǎn)生更大的粘結(jié)面，對(duì)骨料與水泥漿體的結(jié)合面起強(qiáng)化作用。另外，經(jīng)過(guò)物理破碎后的骨料表面活性得到提高，更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而卵石類(lèi)粗骨料表面呈惰性不易發(fā)生反應(yīng)。陳露一等[9]使用顯微硬度測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)同一骨料的不同界面處顯微硬度值具有較大的差異，這說(shuō)明骨料本身的形狀、大小等都能使混凝土界面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生不均勻性。

2.2 膠凝材料和水膠比對(duì)過(guò)渡區(qū)的影響

膠凝材料(在此指的是水泥制品)影響主要從水泥細(xì)度、水泥的粒徑以及礦物組成成分。當(dāng)水泥中的C3(3CaO·SiO2)和C3A(3CaO·AlO3)的含量增加時(shí)，生成的CH和Aft也會(huì)增多，這會(huì)影響界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和孔隙率。水泥的細(xì)度會(huì)影響界面過(guò)渡區(qū)的堆積密度，從而影響界面的微觀結(jié)構(gòu)。Stroeven等通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M顯示：膠凝材料中的細(xì)顆粒會(huì)比較容易地在骨料表面附近堆積。過(guò)渡區(qū)的厚度會(huì)隨著膠凝材料的細(xì)度增大而減小。膠凝材料的粒徑分布不但影響到漿體的穩(wěn)定性，還會(huì)影響到水泥的水化過(guò)程以及界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。也有實(shí)驗(yàn)證實(shí)了隨著水膠比的增大，界面過(guò)渡區(qū)的厚度將會(huì)增加并且界面過(guò)渡區(qū)性能會(huì)降低。

2.3 活性摻合料對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響

當(dāng)摻入活性材料時(shí)，由于其參加二次水化反應(yīng)，吸收CH，從而可使界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)得到改善。日本的Masao Kuroda、河海大學(xué)的蔣林華等[10]、Kangesu Vivekanandam[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)先后證明了混凝土粉煤灰對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)表明：粉煤灰對(duì)提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度有著一定作用，除此之外，對(duì)界面過(guò)渡區(qū)厚度擴(kuò)展可以起抑制作用。黃與舟利用環(huán)境掃描電子顯微鏡來(lái)研究混凝土骨料與水泥石界面的關(guān)系，其得出了摻入一定量的粉煤灰可以改善混凝土界面過(guò)渡區(qū)，認(rèn)為膨脹劑可以起到與粉煤灰相同的作用。所以說(shuō)通過(guò)加入硅粉、粉煤灰等活性摻合料，改善混凝土界面過(guò)渡區(qū)的同時(shí)，也還可以縮小界面過(guò)渡區(qū)的厚度，使危險(xiǎn)界面的范圍大大減小。

2.4 外加劑對(duì)過(guò)渡區(qū)的影響

外加劑的影響主要體現(xiàn)在外加劑的品種和用量不同。某些特殊類(lèi)型的外加劑如聚合物外加劑中的硅烷偶聯(lián)劑以及聚乙烯醇，這兩者通過(guò)偶聯(lián)作用可以改善漿體與其他材料的粘結(jié)強(qiáng)度。通過(guò)添加減水劑來(lái)打破絮凝的膠凝材料團(tuán)，從而將包裹在團(tuán)中的水分釋放出來(lái)，從而提高界面過(guò)渡區(qū)的堆積密度。但外加劑添加需要適量，一旦外加劑過(guò)量或水膠比過(guò)大，都會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，從而使界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)變差。

2.5 成型工藝對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響

通過(guò)研讀大量文獻(xiàn)可知，混凝土施工工藝的精準(zhǔn)性對(duì)混凝土成型之后所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)有著巨大的影響。凈漿裹骨料工藝[12]是一種有別于傳統(tǒng)施工工藝的手法。其過(guò)程是先將水泥與水混合，制成低水灰比的水泥凈漿，然后在水泥凈漿中加入骨料一起均勻攪拌，最后加水到所需的水灰比，然后不斷攪勻。利用這種凈漿裹骨料手法，不但能讓骨料的附近生成一些水化物，還可以讓凈漿中的水泥微粒和水化產(chǎn)物阻止自由水與骨料表面的直接接觸，干擾骨料表面CH的產(chǎn)生。其次，凈漿裹骨料工藝還能增加界面附近水泥微粒的數(shù)量，也可以增加CSH凝膠。此外,袁民[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：先攪拌水泥砂漿再進(jìn)行混凝土攪拌的多步投料工藝可以改善混凝土界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度梯度,提高混凝土強(qiáng)度。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析骨料類(lèi)型、膠凝材料、摻合料、外加劑和制作工藝等因素對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)的影響之后，可以看出，混凝土作為一種當(dāng)今建筑行業(yè)應(yīng)用范圍最廣、最普遍、最傳統(tǒng)的水泥基復(fù)合材料，它所表現(xiàn)出來(lái)的各種性能并不是簡(jiǎn)單的各組成成分性能的相互疊加。本質(zhì)上講，骨料與水泥漿體之間的界面過(guò)渡區(qū)是復(fù)合材料的一種缺陷。從微觀角度來(lái)說(shuō)，混凝土界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)決定了混凝土這種復(fù)合材料的下限性能。對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)的研究對(duì)提高混凝土宏觀力學(xué)性能和耐久性方面有著巨大貢獻(xiàn)。本文從界面過(guò)渡區(qū)的形成機(jī)理和界面特性出發(fā)，較為全面地分析了影響界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度和厚度的眾多因素，在此基礎(chǔ)上也提出了許多改善界面過(guò)渡區(qū)的有效措施，為以后研究界面過(guò)渡區(qū)提供了借鑒，拓展了方向。

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