界面過渡區(qū)對(duì)混凝土性能的影響及其改善措施

摘要：本文從混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理出發(fā)，較全面地分析了影響界面過渡區(qū)強(qiáng)度的諸因素和過渡區(qū)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了改善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的有效措施。

關(guān)鍵詞：界面過渡區(qū);水泥基相;鈣礬石;骨料;范德華引力

0 引言

混凝土是由其組成成分水泥、水、細(xì)骨料、粗骨料通過適當(dāng)?shù)臄嚢?、成型、養(yǎng)護(hù)工藝，經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而形成的一種人造石材。硬化后的混凝土，可以分為水化水泥基相(水泥石)(hy-drated cement paste)、 分散粒子(aggregate)和界面過渡區(qū)(transition zone between cement paste and aggregate)3個(gè)構(gòu)成要素?；炷磷鳛橐环N典型的水泥基復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)和性能不是其組成成分的簡(jiǎn)單疊加。 從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于水化水泥基相的研究比較全面深入，所形成的理論也比較成熟;分散粒子由于其自身性質(zhì)單一穩(wěn)定，對(duì)混凝土性能的影響相對(duì)較小;而界面過渡層因其組成成分和水泥水化物相同，故研究者常常忽略對(duì)其進(jìn)行專門的研究。事實(shí)上，之所以把界面過渡區(qū)作為混凝土的一種獨(dú)立要素，說明其結(jié)構(gòu)和性能與非過渡區(qū)水泥水化物存在較大的差異，有必要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的分析和研究。許多關(guān)于混凝土性能方面的現(xiàn)象難以從其他方面尋求解答，卻能通過對(duì)界面過渡區(qū)的分析而得到解釋。諸如在相同水膠比、相同水化時(shí)間的前提下，水泥砂漿的強(qiáng)度比混凝土要高;隨著粗骨料粒徑的增大，混凝土的強(qiáng)度降低，在遭遇火災(zāi)時(shí)，混凝土彈性模量比抗壓強(qiáng)度降低要快;混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小一個(gè)數(shù)量級(jí)等等。

1混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理

1.1界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)

界面過渡層是指硬化水泥漿(水泥基相)和骨料(分散基相)之間的薄層部分，也稱為混凝土的第3相。通常，其厚度約為10~50μm，存在于骨料的外圍，約占全部水泥漿體的1/3。界面過渡層的特征是富集于界面上定向排列的Ca(OH)₂(以下簡(jiǎn)寫為 CH)粗大結(jié)晶。過渡區(qū)范圍內(nèi)，接觸層與骨料表面 處幾乎都是定向排列的六方片狀CH結(jié)晶;中間層分布著CH及粗大鈣礬石針狀晶體(AFt，AFm)及少量的C-S-H凝膠。圖1(a)為高倍電子顯微鏡下觀察到的界面過渡區(qū)的CH晶體形態(tài);圖1(b)為界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)示意。

1.2界面過渡區(qū)的形成機(jī)理

J.C.Maso曾觀察過混凝土澆筑后界面過渡區(qū) 隨時(shí)間發(fā)展的結(jié)構(gòu)特性，綜述如下:在新拌混凝土中，粗骨料周圍有水膜形成，這是由于離粗骨料表面越近的區(qū)域水膠比越大的緣故。然后，由硫酸鈣(石膏)、 鋁酸鈣等化合物溶解而產(chǎn)生的鈣離子、硫酸根離子、氫氧根離子和鋁離子結(jié)合而形成針狀鈣礬石晶體和六方片狀氫氧化鈣晶體。由于水灰比較高，這些粗骨料界面附近的結(jié)晶產(chǎn)物相對(duì)粗大從而形成一個(gè)比普通水泥基相或砂漿更多孔的結(jié)構(gòu)。平板狀的氫氧化鈣晶體趨向于形成定向?qū)訝钆帕胁⒏街诠橇媳砻?。最后，隨著水化過程的繼續(xù)，產(chǎn)生的C-S-H凝膠和較細(xì)小的鈣礬石及CH晶體填充多孔結(jié)構(gòu)中的孔隙，這使得過渡層的密實(shí)程度稍有增大。

2 界面過渡層對(duì)混凝土性能的影響

2.1 影響界面過渡層強(qiáng)度的因素

混凝土界面過渡層微觀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這意味著影響其強(qiáng)度的因素也很復(fù)雜，且各個(gè)因素并非獨(dú)立作用，使得研究非常困難，難以系統(tǒng)化。根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，在眾多影響因素中，以下3點(diǎn)是最主要的:

(1)大體積毛細(xì)孔隙的存在

界面過渡區(qū)中水化產(chǎn)物與界面處骨料粒系之間的黏結(jié)是依靠分子間的范德華引力(Vander Wa alsforce of attraction)。因此，界面過渡區(qū)的強(qiáng)度取決于其中所存在孔隙的體積和孔徑，孔隙的體積和孔徑越大，其強(qiáng)度越低。即使對(duì)低水灰比的混凝土而言，其早期界面過渡區(qū)中孔隙的體積和孔徑都較相應(yīng)普通砂漿中孔隙為大，相應(yīng)地，前者的強(qiáng)度要弱(見圖2)。然而隨齡期增長(zhǎng)，界面過渡區(qū)的強(qiáng)度變得和砂漿相當(dāng)甚至大于砂漿，這是因?yàn)樗嗍慕M成成分和骨料之間發(fā)生緩慢化學(xué)反應(yīng)而生成新的結(jié)晶產(chǎn)物，這些產(chǎn)物既能起到進(jìn)一步填充界面過渡層中孔隙的作用，又能有效減小過渡層中氫氧化鈣的量，從而減弱其對(duì)過渡層強(qiáng)度的不利影響。

由于反應(yīng)速度較為緩慢，其強(qiáng)度的增長(zhǎng)只有到后期才表現(xiàn)得比較明顯。圖2即為齡期對(duì)混凝土過渡區(qū)材相和普通水泥石強(qiáng)度影響的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。從圖上容易看出后期過渡區(qū)強(qiáng)度提高比普通水泥石為快，這很好地說明了上述理論分析符合試驗(yàn)結(jié)果。

(2)氫氧化鈣粗大晶體的大量存在

粗大的CH晶體的存在對(duì)界面過渡區(qū)的強(qiáng)度具有一定的影響。一方面因其層狀重疊排列使其比表面積減小，相應(yīng)范德華分子結(jié)合力也較小，從而黏結(jié)力也相應(yīng)減小;另一方面因CH晶體的定向排列使之更傾向于開裂。

(3)微裂紋的出現(xiàn)和存在

微裂紋的出現(xiàn)和存在是導(dǎo)致界面過渡區(qū)強(qiáng)度不高的又一重要因素。微裂紋的數(shù)量決定于各種不同的參數(shù)，其中包括骨料的粒徑和級(jí)配、水泥用量、水膠比、新拌混凝土的密實(shí)程度、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境濕度和混凝土的放熱過程。例如，以級(jí)配差的骨料制作的混凝土拌合物在振搗過程中更傾向于泌水離析，從而在粗骨料周邊形成較厚的水膜或水囊。在相同的條件下，骨料的粒徑越大，可能形成的水膜的厚度也越大。在這種條件下形成的界面過渡區(qū)在承受拉應(yīng)力時(shí)由于骨料和水化水泥石的微應(yīng)變更容易開裂。

2.2界面過渡層對(duì)混凝土性能的影響

普通混凝土的力學(xué)性能之所以比其組分(骨料和水泥石)要弱，從微觀層面上說，原因就在于界面過渡區(qū)的存在，它好比是一條鏈子中的最薄弱環(huán)節(jié)。從某種意義上說，過渡區(qū)材相的結(jié)構(gòu)決定了混凝土的力學(xué)性能，成為混凝土力學(xué)性能發(fā)展的限制條件。界面過渡區(qū)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)界面過渡區(qū)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

由于過渡區(qū)的存在，混凝土的抗壓強(qiáng)度比其兩個(gè)主要組分低得多。原因在于界面過渡區(qū)存在原始裂紋，外界并不要施加太高的壓力就能使裂紋進(jìn)一步開展，在壓應(yīng)力為極限強(qiáng)度的40%~70%范圍增加時(shí)，應(yīng)變?cè)黾颖葢?yīng)力增加明顯為快，且這種趨勢(shì)表現(xiàn)得越來越明顯。當(dāng)壓應(yīng)力超過極限強(qiáng)度的70%后，隨著應(yīng)力的增加，水泥石中大孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使水泥石中開始有裂縫出現(xiàn)，隨后裂縫逐漸擴(kuò)展直至與過渡區(qū)的裂縫貫通，這一連續(xù)貫通的裂縫最終導(dǎo)致混凝土的開裂破壞。相對(duì)受壓破壞而言，混凝土受拉破壞時(shí)，裂縫擴(kuò)展更快，抗拉強(qiáng)度更低，這也正是混凝土抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)的主要原因。

(2)界面過渡區(qū)對(duì)混凝土彈性模量(剛度)的影響

混凝土作為一種典型的復(fù)合材料，界面過渡區(qū)相當(dāng)于一個(gè)橋梁的作用，即使混凝土各組分的剛度再高，還得依靠這一橋梁來傳遞，橋梁結(jié)構(gòu)越差，則其傳遞效果也越差。界面過渡區(qū)中孔隙和裂縫的大量存在對(duì)剛度的傳遞極為不利，故混凝土彈性模量就比其組分要低。

(3)界面過渡區(qū)對(duì)混凝土耐久性的影響

界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)混凝土的耐久性也有明顯的影響。鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件往往由于鋼筋銹蝕破壞，鋼筋銹蝕的前提條件是水分和空氣能滲入混凝土中，因此鋼筋銹蝕很大程度上受混凝土抗?jié)B透性能的影響，抗?jié)B性越差，水分和空氣滲入就越自由，銹蝕的可能性就越大。鋼筋和粗骨料接觸面處過渡區(qū)中微裂紋的存在致使其抗?jié)B性比相應(yīng)的水泥石或砂漿差，故鋼筋也更容易銹蝕。

3 界面過渡層的強(qiáng)化和改善措施

從界面過渡區(qū)的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，尋求抑制其形成與改善其結(jié)構(gòu)的途徑，實(shí)際上就是混凝土高性能化的技術(shù)關(guān)鍵;混凝土的高性能化是一種綜合指標(biāo)，這其中便包涵著對(duì)界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的改善，這二者殊途同歸，有著必然的聯(lián)系。簡(jiǎn)言之，混凝土高性能化的措施都能改善界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和性狀。

3.1降低水膠比

從前述界面過渡區(qū)的形成機(jī)理可知，骨料表面附近區(qū)域水膠比高是過渡區(qū)薄弱的一個(gè)重要原因。混凝土的水膠比越低，界面處水膠比就越低，孔隙率也越低。而且水膠比的降低提高了硬化水泥石的強(qiáng)度和彈性模量，使水泥石和骨料間彈性模量的差異減小，從而使界面處水膜厚度減小，晶體生長(zhǎng)的自由空間減小。大量相關(guān)試驗(yàn)證明，降低水膠比是抑制界面過渡層形成和改善其結(jié)構(gòu)的有效途徑。

3.2 摻加礦物超細(xì)粉和高效外加劑

摻入到混凝土拌合物中的礦物摻合料(如SF，F(xiàn)A等)能迅速與水泥水化生成的CH作用，生成C-S-H和鈣礬石，消耗CH的同時(shí)產(chǎn)生更多對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的產(chǎn)物(如C-S-H)，而且這一反應(yīng)過程能干擾水化物的結(jié)晶。與此同時(shí)，未參與反應(yīng)的細(xì)微礦物顆粒對(duì)界面處孔隙具有極好的微填充作用。這些因素都有利于界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改善。

K.H.Khagat和P.C.Aitcin等人以15%的SF(硅粉)等量取代水泥后，水膠比為0.33的混凝土界面過渡區(qū)孔隙率及原生CH結(jié)晶含量明顯降低，如圖3模型所示。模型圖中(a)、(b)為未摻加SF的混凝土硬化前后界面連接處的情形;(c)、(d)為摻加SF的混凝土硬化前后界面連接處的情形。(a)中粗骨料表面周圍形成水囊，而界面連接處水泥微粒也不充足;(b)中所示過渡區(qū)存在著大量的CH晶體和孔隙，還有一些針狀物填充其間。(c)中SF微粒填充于粗骨料周圍的空間，而不是為水所占據(jù);(d)中過渡區(qū)中CH晶體和孔隙都明顯減少。這個(gè)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果充分證明了摻加礦物超細(xì)粉對(duì)改善混凝土界面過渡區(qū)的作用。

摻入高效外加劑(如高效減水劑)后，混凝土界面處CH晶體的取向程度大大降低，取向范圍也大大減小。這意味著過渡層厚度減小，不利界面效應(yīng)也降低，過渡層更趨于均衡。

3.3選用性質(zhì)優(yōu)良的骨料

不同性質(zhì)的骨料制作的混凝土界面過渡區(qū)會(huì)有不同的性質(zhì)。采用性質(zhì)優(yōu)良的骨料對(duì)混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的改善也有重要意義。如果骨料吸水，則可以降低骨料周圍漿體的水膠比，并因此而減小界面的不利因素。例如采用陶粒作為粗骨料制作的混凝土強(qiáng)度可以遠(yuǎn)高于陶粒本身的強(qiáng)度，就是利用了陶粒吸水的原理。有水硬活性或潛在水硬活性的骨料可在界面處參與水化反應(yīng)而改善界面。如選擇適當(dāng)?shù)乃?a target="_blank" style="color: #4284f4; text-decoration: underline;">熟料球作為混凝土的粗骨料等等。

3.4 改善混凝土制作工藝

混凝土的攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)等工藝過程均可影響界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。例如，常規(guī)攪拌投料順序?yàn)?如將這種順序改為:可以較好地改善界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和性能，從而改善混凝土的性能。

4結(jié)語

混凝土作為一種典型的復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)和性能并非其各組分結(jié)構(gòu)和性能的線性疊加?；炷林写嬖诘乃嗍c骨料之間的過渡區(qū)域---界面過渡層，是材料復(fù)合后的一種缺陷。從某種意義上說，界面過渡層的性狀決定著混凝土這一復(fù)合材料的性能。探討界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和性能的改善具有極其重要的意義。本文從界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理出發(fā)，較全面地分析了影響界面過渡區(qū)強(qiáng)度的諸因素和過渡區(qū)對(duì)混凝土主要力學(xué)性能的影響，在此基礎(chǔ)上提出了改善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能的有效措施，并得出混凝土高性能化措施同時(shí)也是改善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和性能措施的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)(略)