若干因素對(duì)混凝土界面過渡區(qū)的影響綜述

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)了混凝土界面過渡區(qū)的存在。混凝土界面過渡區(qū)[1](Interface Transition Zone，簡稱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。歐陽利軍等[2]使用被染色樹脂染過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)狀過渡區(qū)域，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象提出了混凝土界面過渡區(qū)的概念。1983年解松善研究混凝土界面過渡區(qū)時(shí)，從骨料至砂漿的過渡區(qū)域，將界面過渡區(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)合材料的基本問題，更是關(guān)鍵問題，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]通過測試發(fā)現(xiàn)：界面過渡區(qū)的強(qiáng)度約為其水泥基抗拉強(qiáng)度的33%～67%。所以說，界面過渡區(qū)性能所表現(xiàn)出來的好壞對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性都有著巨大的影響。

在國外，界面過渡區(qū)的研究起步較早。歐美等一些發(fā)達(dá)國家在二戰(zhàn)后期就開始了對(duì)混凝土界面過渡區(qū)的研究與開發(fā)[4]。并且已經(jīng)利用掃描電子顯微鏡觀測到的圖片繪制出了三維過渡區(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，關(guān)于混凝土界面過渡區(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)影響混凝土界面過渡區(qū)的因素進(jìn)行總結(jié)，旨在為我國在混凝土界面過渡區(qū)方面的理論研究提供參考。

1 界面過渡區(qū)的形成機(jī)制與特征

一般混凝土的界面過渡區(qū)就是指包裹著粗骨料的一塊薄薄區(qū)域。界面過渡區(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，使骨料周圍界面過渡區(qū)形成一層較水泥漿體相對(duì)弱化的過渡界面。目前，國內(nèi)外主流的一些觀點(diǎn)認(rèn)為混凝土界面過渡區(qū)的形成可歸結(jié)于“單邊生長效應(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。

界面過渡區(qū)是一層肉眼觀察不到的區(qū)域，目前人類通過掃描電鏡等方法觀察到的界面過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)同在界面過渡區(qū)內(nèi)，有著大量定向排列Ca(OH)2(以下簡寫為CH)結(jié)晶。過渡范圍內(nèi)，骨料表面充滿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)和多孔過渡區(qū)(或稱為基質(zhì)接觸層)。這兩個(gè)層統(tǒng)稱為ITZ。這些薄弱的表面將影響混凝土的耐久性。

2 影響界面過渡區(qū)的因素

2.1 骨料類型對(duì)過渡區(qū)的影響

骨料(在此指天然礦物骨料)的種類繁多，不同地區(qū)的骨料成分有很大的不同。從微觀化學(xué)鍵的角度來看，大致可分為兩大類：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)填充界面過渡區(qū)中的孔隙，對(duì)界面過渡區(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，這說明骨料本身的形狀、大小等都能使混凝土界面過渡區(qū)產(chǎn)生不均勻性。

2.2 膠凝材料和水膠比對(duì)過渡區(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程以及界面過渡區(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，界面過渡區(qū)的厚度將會(huì)增加并且界面過渡區(qū)性能會(huì)降低。

2.3 活性摻合料對(duì)界面過渡區(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]通過實(shí)驗(yàn)先后證明了混凝土粉煤灰對(duì)界面過渡區(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。所以說通過加入硅粉、粉煤灰等活性摻合料，改善混凝土界面過渡區(qū)的同時(shí)，也還可以縮小界面過渡區(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。通過添加減水劑來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，從而提高界面過渡區(qū)的堆積密度。但外加劑添加需要適量，一旦外加劑過量或水膠比過大，都會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，從而使界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)變差。

2.5 成型工藝對(duì)界面過渡區(qū)的影響

通過研讀大量文獻(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渡區(qū)強(qiáng)度梯度,提高混凝土強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

通過分析骨料類型、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)出來的各種性能并不是簡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渡區(qū)是復(fù)合材料的一種缺陷。從微觀角度來說，混凝土界面過渡區(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渡區(qū)的有效措施，為以后研究界面過渡區(qū)提供了借鑒，拓展了方向。

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