界面過渡區(qū)對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，對混凝土性能的影響相對較小;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，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)度小一個數(shù)量級等等。

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)物相對粗大從而形成一個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，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)度的增長只有到后期才表現(xiàn)得比較明顯。圖2即為齡期對混凝土過渡區(qū)材相和普通水泥石強(qiáng)度影響的對比試驗(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)對混凝土力學(xué)性能的影響具體表現(xiàn)在以下3個方面:

(1)界面過渡區(qū)對混凝土強(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，應(yīng)變增加比應(yīng)力增加明顯為快，且這種趨勢表現(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。相對受壓破壞而言，混凝土受拉破壞時，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)度低一個數(shù)量級的主要原因。

(2)界面過渡區(qū)對混凝土彈性模量(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)對混凝土耐久性的影響

界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對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)薄弱的一個重要原因?；炷恋乃z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的同時產(chǎn)生更多對強(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，未參與反應(yīng)的細(xì)微礦物顆粒對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。這個對比試驗(yàn)的結(jié)果充分證明了摻加礦物超細(xì)粉對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)會有不同的性質(zhì)。采用性質(zhì)優(yōu)良的骨料對混凝土界面過渡區(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)