混凝土界面過渡區(qū)不均勻特性研究

摘要:在新拌混凝土制備過程中，因混凝土內(nèi)部的微泌水效應(yīng)和宏觀泌水作用會對處于不同位置的骨料周圍區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生水分的不均勻分布，進(jìn)而影響界面過渡區(qū)的均勻性。利用顯微硬度測試技術(shù)研究了混凝土界面過渡區(qū)的不均勻特性。結(jié)果表明，單骨料上、下以及側(cè)面等不同界面處顯微硬度值存在較大差別，其中上界面顯微硬度值最大。表層骨料周圍界面過渡區(qū)寬度略大于內(nèi)部骨料界面過渡區(qū);硅灰的摻加能明顯改善混凝土界面過渡區(qū)的不均勻性。

關(guān)鍵詞:界面過渡區(qū);不均勻性;顯微硬度;硅灰

混凝土界面過渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，它在混凝土內(nèi)部是一個不均勻體系，它能影響到整個混凝土構(gòu)件的宏觀力學(xué)性能。界面過渡區(qū)的不均勻性是由結(jié)構(gòu)內(nèi)部宏觀和微觀層面上的泌水共同作用引起的。Ol2livier，Scrivener和張承志等學(xué)者均通過試驗(yàn)證實(shí)了混凝土制備過程中微泌水作用引起了內(nèi)部骨料的界面過渡區(qū)的不均勻性，且單個骨料不同方向上的界面過渡區(qū)也是不均勻的^[1-5];Basheer和Razak等學(xué)者認(rèn)為表層混凝土是一個高度不均勻體系，該體系的形成是由混凝土制備過程中宏觀泌水作用引起，表層混凝土的界面過渡區(qū)內(nèi)存在孔隙分布的梯度^[6，7]。因此，混凝土在制備過程中的泌水作用會導(dǎo)致混凝土表層和內(nèi)部骨料以及單個骨料的界面過渡區(qū)性能均存在較大差別。作者利用顯微硬度測試技術(shù)，綜合分析研究表層和內(nèi)部混凝土界面過渡區(qū)的整體不均勻性。測試混凝土不同位置骨料周圍各界面過渡區(qū)的硬度值，探討界面過渡區(qū)的不均勻特性以及水灰比、硅灰對界面過渡區(qū)的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥為華新P.O42.5級水泥，其物理性質(zhì)見表1。硅粉為挪威?？瞎咎峁┑陌刖奂瘧B(tài)硅微粉;集料為16.5—19.6mm近似圓粒狀石灰?guī)r，用水清洗表面并烘干;水為飲用自來水;減水劑為江蘇鎮(zhèn)江特密斯混凝土外加劑廠生產(chǎn)的水溶性氨基磺酸鹽高效減水劑，固含量33%，減水率25.5%。

1.2試件制作及養(yǎng)護(hù)

試件配合比見表2，按配合比均勻混合原材料，加水拌勻，將拌好的混合料裝入鋼模，置于振動臺振動20s，刮平。于室內(nèi)靜置24h后脫模，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d。每組配合比制備150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件。

1.3測試方法

1)顯微硬度試樣制備和測試采用裝有金剛石刀片的切割機(jī)將試件沿成型方向切出厚度約10mm的片狀試樣。選取試樣待測面，放于磨樣機(jī)上依次用400號，600號和1200號研磨劑(剛玉)進(jìn)行逐層研磨，然后將試樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光處理得到平整光滑的待測表面。

2)界面過渡區(qū)顯微硬度測試選取圓度最接近1的骨料顆粒(每塊待測樣選取表層和內(nèi)部2個單獨(dú)骨料);分別測試單個骨料上，下和側(cè)面(按成型方向劃分)3個不同部位的顯微硬度值，每個面沿界面法線方向測試20點(diǎn)(點(diǎn)之間間隔10μm);混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身在微觀層面上具備不均勻性，故為了測試出真實(shí)顯微硬度值，選取10個不同測點(diǎn)測試并取平均。

2結(jié)果與討論

2.1骨料位置對界面過渡區(qū)顯微硬度的影響

圖1給出了A1樣表層以及內(nèi)部骨料周圍各界面顯微硬度的分布情況。從圖1中可以看出，內(nèi)部骨料其下界面的過渡區(qū)均最寬為80—90μm，側(cè)面的過渡區(qū)寬度次之為60—70μm，上界面過渡區(qū)寬度最小為40—50μm，且上界面顯微硬度值均明顯高于下界面，側(cè)面顯微硬度值位于兩者之間;表層混凝土界面過渡區(qū)寬度略大于內(nèi)部骨料。因此，骨料周圍界面過渡區(qū)存在明顯的不均勻性。

不均勻性的產(chǎn)生，主要是骨料近界面區(qū)存在水分分布的不均勻性導(dǎo)致?；炷猎谥苽溥^程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部在微觀層面上會產(chǎn)生泌水作用，這些水分在振搗的作用下向上運(yùn)動，而水泥顆粒因重力作用向下運(yùn)動，而骨料對水的運(yùn)動有阻礙作用，使水在集料下方形成水囊，導(dǎo)致骨料下方局部區(qū)域水分分布較多，水灰比增大。相反，骨料上方不可能有水囊形成，骨料上方區(qū)域內(nèi)的微量泌水且由于骨料阻礙了水泥顆粒的向下運(yùn)動，在骨料的上方形成堆積，導(dǎo)致骨料上方局部區(qū)域水分分布較少水灰比降低。這是促使骨料上下界面過渡區(qū)內(nèi)顯微硬度存在較大差別的根本原因。骨料側(cè)面區(qū)域?qū)λ趾退囝w粒的運(yùn)動不會產(chǎn)生阻礙作用，因而其界面過渡區(qū)性狀的產(chǎn)生主要是由顆粒在骨料界面處堆積性能(即墻效應(yīng))所致。試件表面的表層骨料周圍界面過渡區(qū)比內(nèi)部骨料周圍界面過渡區(qū)寬，主要是因?yàn)檎駝舆^程中的宏觀層面的泌水作用，使得更多的水分集中到混凝土的表層致使表層混凝土含水量偏高，骨料界面處形成的水囊更大，水灰比更大，導(dǎo)致最終表層骨料界面過渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)更加疏松，界面過渡區(qū)寬度變大。

2.2水灰比對界面過渡區(qū)顯微硬度的影響

圖2給出了A2樣表層以及內(nèi)部骨料周圍各界面顯微硬度的分布情況。從圖2中可以看出:無論內(nèi)部還是表層骨料下界面過渡區(qū)寬度均減小至60—70μm，側(cè)面過渡區(qū)寬度內(nèi)部骨料為50μm，表層骨料為60μm，均較A1樣有明顯減小，然而上界面寬度仍為40—50μm之間;骨料上下界面顯微硬度差值亦表現(xiàn)出明顯減小，A1樣內(nèi)部骨料差值為4.7MPa，表層骨料差值為5.8MPa，A2樣內(nèi)部骨料差值為3.5MPa，表層骨料為4.5MPa，分別減小了1.2MPa和1.3MPa。

可以看出水灰比的減小可以改善界面過渡區(qū)。水灰比的減小導(dǎo)致單位體積內(nèi)水泥顆粒量增大，水的量減小，因而在振搗過程中，內(nèi)部微泌水作用不明顯，水分的上移作用也相對較小，在骨料下界面處形成的水囊會比水灰比為0.42的A1樣小，骨料表層的水膜厚度也相應(yīng)減小，因而下界面和側(cè)面的寬度比A1樣略小，且下界面顯微硬度值有略微增大;然而上界面在振搗過程中阻礙了水泥顆粒的向下運(yùn)動，使得水泥顆粒在骨料上界面處的堆積為最緊密狀態(tài)，水分的分布狀態(tài)對水灰比改變的敏感性較小，骨料上界面顯微硬度分布變化不大，界面寬度不變。內(nèi)部微泌水作用的減小，導(dǎo)致最終骨料界面處水分分布梯度減小，單骨料周圍各界面處水分分布狀態(tài)差異性減小，各界面顯微硬度呈現(xiàn)均衡的趨勢。

水灰比的減小能導(dǎo)致新拌混凝土宏觀泌水作用的減小。在振搗過程中，新拌混凝土內(nèi)部微泌水量的減少，使得上移至表層的水的量減少，致使表層混凝土水灰比和內(nèi)部混凝土的差別減小，表層骨料各界面顯微硬度值和內(nèi)部骨料的差別呈現(xiàn)減小的趨勢。

2.3硅灰對界面過渡區(qū)顯微硬度的影響

圖3給出了A3樣表層以及內(nèi)部骨料周圍各界面顯微硬度的分布情況。從圖3中可以看出，界面過渡區(qū)的寬度均減小20—40μm，而且上、下界面以及側(cè)面的顯微硬度值的分布呈現(xiàn)較為相同的趨勢。內(nèi)部骨料和表層骨料的不同界面顯微硬度差值分別減小至1.5MPa和0.9MPa，均遠(yuǎn)小于A1和A2樣的差值。

可以看出硅灰的加入大大地改善了界面過渡區(qū)的不均勻性。在混凝土制備過程中，水泥顆粒的分布密度在緊貼骨料處幾乎為0，骨料界面處水泥顆粒不能分布的地方均被水占據(jù)。然而硅灰的平均粒徑小于0.1μm，比水泥顆粒細(xì)2個數(shù)量級，因此硅灰在成型過程中能很好地填充于骨料界面處，占據(jù)原先水泥顆粒分布為0的地方，使分布密度增大，硅灰在骨料界面處的分布較大地減少了骨料界面處滯留的水量，因而能減小界面過渡區(qū)的寬度。

硅灰在細(xì)度上良好的優(yōu)越性促使其能較好地堆積在骨料表面，增加了界面處的密實(shí)程度，使膠凝材料在骨料界面處的分布均勻化，最終導(dǎo)致水在界面處的分布更加均勻(水分分布梯度減小)，最終使界面過渡區(qū)趨于完善，消除了單骨料上下界面處的差別。硅灰的加入大大地減小了新拌混凝土宏觀泌水作用，使表層混凝土和內(nèi)部混凝土水灰比差別更小，水分在表層和內(nèi)部的分布更加均勻，表層和內(nèi)部骨料周圍各界面處的顯微硬度值差別很小。同時在摻加硅灰的試樣中，在新拌階段無論微觀還是宏觀層面上的泌水作用均非常小，使水分無論在哪個層面上的分布都是均勻的，導(dǎo)致最終的顯微硬度值分布均勻，差別較小。

3結(jié)論

a.新拌混凝土在制備過程中引起的微觀和宏觀泌水作用可在骨料界面處產(chǎn)生水分分布梯度(不均勻性)，并最終導(dǎo)致硬化后混凝土界面過渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)存在較大差異。宏觀泌水作用使表層骨料界面過渡區(qū)各部位具有高度不均勻性，且和內(nèi)部骨料周圍界面存在較大差異。

b.水灰比對界面過渡區(qū)的性質(zhì)有一定影響，水灰比的降低能減小骨料界面處水分分布梯度，減小界面過渡區(qū)的寬度，改善界面過渡區(qū)的不均勻性，但其改善效果不顯著。

c.硅灰能顯著地減小泌水作用，使骨料周圍水分分布趨于平衡，單骨料周圍不同界面區(qū)顯微硬度值分布相近，差別較小，表層和內(nèi)部骨料周圍界面差異較小。

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