混凝土界面過渡區(qū)的研究進(jìn)展

馬玉祥，賀航

（河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

混凝土界面過渡區(qū)的研究進(jìn)展

馬玉祥，賀航

（河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

混凝土界面過渡區(qū)（ITZ）是混凝土中水泥漿體與骨料之間的界面，對混凝土的各種性能有關(guān)鍵性的影響。綜合已有的研究，對界面過渡區(qū)的顯微硬度、孔隙率以及骨料對界面過渡區(qū)的影響方面進(jìn)行了總結(jié)。

混凝土；界面過渡區(qū)；骨料

1956 年 Farran[1]用著色的樹脂浸漬砂漿，發(fā)現(xiàn)了一層過渡環(huán)，從而發(fā)現(xiàn)了界面過渡區(qū)（ITZ）。隨著對混凝土研究的深入，越來越多的研究表明，界面過渡區(qū)對混凝土的性能有直接的影響。從形成機(jī)制看，被認(rèn)為是“墻效應(yīng)”和“微區(qū)泌水效應(yīng)”的作用結(jié)果[2]。對界面過渡區(qū)的厚度大小，不同的學(xué)者有不同的結(jié)論，但大部分的學(xué)者認(rèn)為界面過渡區(qū)厚度主要集中在 15～50μm[3]，也有研究表明該區(qū)域超過100μm[4]。與漿體比較其特征為：孔隙率較高；未水化水泥較少，C-S-H較少；存在大的且定向生長的 Ca(OH)2晶體；鈣礬石 AFt 的含量一般較高等[5]。

Shui等[6]通過試驗(yàn)檢測了界面過渡區(qū)附近的元素分布，試驗(yàn)表明了界面過渡區(qū)厚度不同，Ca、Si、K 的濃度也不同，反映了混凝土的化學(xué)穩(wěn)定性和各組分的相互作用與混凝土的耐久性密切相關(guān)。Young 等[7]對界面過渡區(qū)的 Ca(OH)2以及未水化水泥顆粒分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明混凝土的界面過渡區(qū)含有 Ca(OH)2，同時界面過渡區(qū)的孔隙率高達(dá) 30%，因此，降低了抗酸能力從而對混凝土的耐久性能產(chǎn)生了影響。同時，混凝土氣孔結(jié)構(gòu)也對界面過渡區(qū)有一定的影響。高輝等[8]對混凝土加入引氣劑，同時對界過渡區(qū)的微觀硬度進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明在混凝土總孔隙率相近條件下，增加10～200μm 孔徑的氣孔數(shù)量，減少 200～1600μm 孔徑的氣孔數(shù)量，從而減少氣孔的平均孔徑以及間距系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了界面過渡區(qū)的寬度減小，同時顯微硬度提高。Rangaraju 等[9]則對不同粒徑的砂子對混凝土界面過渡區(qū)的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明隨著砂子粒徑的增大界面過渡區(qū)的厚度增大，同時混凝土的耐久性能下降，抗氯離子性能下降。

界面過渡區(qū)是影響混凝土強(qiáng)度、耐久性能的重要因素，研究界面過渡區(qū)就是為了減小甚至克服界面過渡區(qū)對混凝土性能的影響，同時對界面過渡區(qū)的研究，也是為了建立起混凝土宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，從而進(jìn)一步提升混凝土的各項(xiàng)性能。因此，本文分別從宏觀和微觀兩方面介紹了近幾年的國內(nèi)外的研究進(jìn)展。

1 界面過渡區(qū)的顯微硬度

研究表明在混凝土的拌制過程中，因混凝土內(nèi)部的微觀泌水效應(yīng)和宏觀泌水作用以及骨料自身的重力作用使得骨料四周的水分分布不均勻，進(jìn)而影響界面過渡區(qū)的均勻性。佘安明等[10]對不同養(yǎng)護(hù)條件的混凝土界面過渡區(qū)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明干燥條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土界面過渡區(qū)的厚度要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土界面過渡區(qū)的厚度要大，同時界面過渡區(qū)的顯微硬度也降低。隨著科技的進(jìn)步，對界面過渡區(qū)的空間尺度和顯微硬度測試的方法也有所不同，目前常利用的是背散射電子圖像結(jié)合納米壓痕技術(shù)進(jìn)行定量研究，而界面過渡區(qū)的力學(xué)性能則通過彈性模量以及顯微硬度進(jìn)行研究。Wang 等[11]對不同水灰比的混凝土加入硅灰后對混凝土界面過渡區(qū)的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明，相同水灰比時隨著硅灰的加入，界面過渡區(qū)的力學(xué)性能逐漸降低。何智海等[12]研究了不同摻合料對混凝土界面過渡區(qū)的影響，研究表明，同時摻加偏高嶺土和石灰石的混凝土界面過渡區(qū)厚度減小，同時彈性模量也減小，但摻加粉煤灰的混凝土界面過渡區(qū)彈性模量增大。研究界面過渡區(qū)得到的結(jié)論除了受原材料的組成、配合比以及養(yǎng)護(hù)條件等的影響，同時也與試樣的制備方法、觀測方法以及所采用表征界面過渡區(qū)微觀性能的方法有很大的關(guān)系。陳惠蘇等[13-14]發(fā)現(xiàn)，采用截面法研究界面過渡區(qū)厚度時，得到的表觀界面過渡區(qū)厚度一般大于實(shí)際界面過渡區(qū)厚度，具體放大倍數(shù)與集料的形狀密切相關(guān)。可見影響界面過渡區(qū)空間尺寸的因素很多，因此定量描述界面過渡區(qū)空間尺度時，詳述其實(shí)驗(yàn)條件以及測試方法，對對比界面過渡區(qū)厚度有較大的參考價值。

2 孔隙率

研究表明，混凝土中界面過渡區(qū)孔隙率比硬化水泥漿體高，是造成混凝土與凈漿性能差別的關(guān)鍵因素之一[15]。混凝土在振搗過程中，由于各組分密度的不同，在自身重力作用下會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，同時大粒徑下方更容易形成水囊，這就是“微泌水效應(yīng)”[16]。微泌水效應(yīng)會造成集料特別是粗集料下方水灰比增大，孔隙率升高，因此同一集料周圍界面過渡區(qū)具有不均勻性。Goldman 等[17]研究了水灰比以及集料粒徑對集料周圍孔徑率的影響，試驗(yàn)表明了水灰比為 0.2、集料粒徑為 5mm 時，集料上、下表面的孔隙率有明顯的區(qū)別。陳露一等[18]對混凝土界面過渡區(qū)的不均勻特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明骨料四周的顯微硬度有明顯的差異，集料上表面的顯微硬度最大，同時發(fā)現(xiàn)水灰比對界面過渡區(qū)也有一定的影響，降低水灰比會對界面過渡區(qū)有一定的改善效果但改善效果不明顯。同時，Basheer 和 Razak 等[19-20]通過研究認(rèn)為宏觀泌水效應(yīng)對表層混凝土的孔隙率也有一定的影響。不同集料 ITZ 孔隙率也有所不同，這與骨料形狀、表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，Bourdette等[21]認(rèn)為孔隙率隨時間的變化主要與離子擴(kuò)散遷徙相關(guān)。

3 骨料、摻合料對界面過渡區(qū)的影響

骨料與界面過渡區(qū)的性能密切相關(guān)，即骨料對混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能也有很大的影響。Elsharief 等[22]對骨料尺寸對界面過渡區(qū)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在相同水灰比的條件下，2 種不同粒徑的骨料中，小尺寸骨料與漿體的界面過渡區(qū)未水化的水泥顆粒更多、孔隙率更低，同時發(fā)現(xiàn)隨著水灰比的降低，2 種尺寸骨料與漿體界面處的孔隙率都有不同程度的降低。董華等[23]研究了因泌水造成混凝土不同尺寸骨料下方界面過渡區(qū)性能的差異。研究發(fā)現(xiàn)，隨著骨料尺寸的增大，ITZ 未水化水泥顆粒更少、孔隙率更大、Ca(OH)2更多。鄭克仁等[24]研究了礦渣取代水泥時的混凝土中界面過渡區(qū)的納米壓痕硬度和彈性模量分布，研究表明隨礦渣取代水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，基體與界面過渡區(qū)之間壓痕硬度、彈性模量的差值降低，從而使界面過渡區(qū)得到強(qiáng)化。尚建麗等[25]研究了普通碎石混凝土和鋼渣混凝土的界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，研究表明，鋼渣表面粗糙多孔，水泥漿體能夠緊密包裹鋼渣；鋼渣混凝土的界面過渡區(qū)厚度約為 40μm，略低于普通混凝土的界面過渡區(qū)的 50μm。Qina 等[26]不同粗骨料的混凝土界面過渡區(qū)的性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大理石粗骨料混凝土的界面過渡區(qū) Ca(OH)2含量更多，砂巖粗骨料混凝土的界面過渡區(qū)氣孔率更高，這與砂巖自己的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此砂巖混凝土具有較差的機(jī)械性能和高滲透性。石研等[27]對比研究了玄武巖、砂巖和灰?guī)r對界面過渡區(qū)的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在界面過渡區(qū) Ca(OH)2富集程度為：砂巖＞玄武巖＞灰?guī)r，界面過渡區(qū)的厚度為：砂巖＞灰?guī)r＞玄武巖，砂巖界面性能最弱。

4 界面過渡區(qū)對混凝土宏觀性能的影響

同時也有許多學(xué)者對界面過渡區(qū)對混凝土宏觀性能的影響也進(jìn)行了研究，Lee 等[28]利用數(shù)值積分建立了三相的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，又通過有限元法研究了界面過渡區(qū)的體積和彈性模量對混凝土力學(xué)的影響。Costa 等[29]研究了界面過渡區(qū)對混凝土材料氣體滲透性能的影響。Liu 等[30]利用 3D 模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)了集料形狀及界面厚度對混凝土傳輸性能有影響。Care[31]和 Zheng[32]探討了界面過渡區(qū)梯度對混凝土傳輸性能的影響，并將集料體積分?jǐn)?shù)、界面過渡區(qū)的氯離子滲透系數(shù)、界面空間尺度、最大集料粒徑、骨料級配等于混凝土氯離子滲透參數(shù)建立等式關(guān)系，研究混凝土抗氯離子滲透性能。

5 結(jié)語

界面過渡區(qū)是對混凝土材料影響較大的區(qū)域，對混凝土的強(qiáng)度、耐久性各種性能都有很大的影響，本文主要談?wù)摿私鼛啄杲缑孢^渡區(qū)顯微硬度、孔隙率以及骨料對界面過渡區(qū)的影響的研究，只有充分了解界面過渡區(qū)才能克服界面過渡區(qū)從而進(jìn)一步提高混凝土的性能。

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Development on interfacial transition zone

Ma Yuxiang, He Hang
(Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000)

Concrete Interfacial Transition Zone (ITZ) is the interface between the cement paste and the aggregate in concrete, and has a critical effect on the properties of the concrete. Based on the existing studies, the microhardness, porosity and the influence of aggregates on the interface transition zone were summarized.

concrete; interfacial transition zone; aggregate

馬玉祥（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦徒ㄖ牧稀?/p>