孫道勝,李 洋,張高展
(1.安徽建筑大學材料與化學工程學院,合肥 230601;2.武漢理工大學材料科學與工程學院,武漢 430070;3.安徽省先進建筑材料重點實驗室,合肥 230022)
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輕集料混凝土界面區形成與作用機理研究進展
孫道勝1,3,李洋1,3,張高展1,2,3
(1.安徽建筑大學材料與化學工程學院,合肥230601;2.武漢理工大學材料科學與工程學院,武漢430070;3.安徽省先進建筑材料重點實驗室,合肥230022)
輕集料混凝土中界面區的組成、結構與性能是決定其性能的關鍵。針對輕集料混凝土界面區的性能和特點,概括了輕集料混凝土界面區的微觀結構特征和相關模型,分析了輕集料混凝土界面區的形成機理,綜述了輕集料混凝土界面區對混凝土力學、耐久性能以及體積穩定性能的影響,總結了輕集料混凝土界面區研究中存在的不足和值得深入研究的方向,為輕集料混凝土界面區研究提供參考。
輕集料混凝土; 界面區; 微結構模型; 形成機理
普通混凝土中的界面區作為其最薄弱環節,直接決定了混凝土的強度、收縮、徐變以及擴散、滲透等力學和耐久性能[1],而界面區的組成、結構與性能主要取決于集料的種類和性能。輕集料相比于普通集料具有特殊的多孔結構和內養護性能,這就決定了輕集料混凝土界面區與普通混凝土界面區的存在著顯著差異。
目前,國內外學者在研究普通混凝土界面區的基礎上也針對輕集料混凝土的界面區做了大量工作:Zhang[2,3]、Lo等[4]、王發洲等[5]先后提出了輕集料與水泥石之間界面結構的物理模型;胡曙光等[6]認為輕集料與水泥石之間界面區的寬度約為20~30μm,在輕集料的內養護作用下界面區水泥水化相對基體更為充分,界面區的顯微硬度高于水泥石基體;陳建武[7]認為隨輕集料吸水率增大和齡期延長,界面區顯微硬度增大;Dale[8]認為用一定數量輕集料取代普通集料的情況下,可以減少混凝土中總體界面區的數量,從而減少薄弱結構的影響,進而可能會提升混凝土的性能。以上研究表明,輕集料混凝土的界面區不再是其薄弱環節。
本文將針對輕集料混凝土界面區結構模型、形成機理以及界面區對輕集料混凝土性能影響的國內外研究現狀進行概括和總結,探討輕集料混凝土界面區研究中存在的不足和值得深入研究的方向。
輕集料-水泥石界面區的研究是為了探明輕集料混凝土界面區組成、結構及性能與基體的差別,以便提出界面區的微結構模型,并探討界面區微結構形成機理以及界面區對混凝土整體性能的影響。不同的學者相繼提出了不同的輕集料-水泥石的微結構模型。
刑鋒等[9]發現沸石巖輕集料與水泥漿體在界面處發生了“水氣互換”作用,如圖1所示。水泥漿體中的水隨齡期延長而減少,使輕集料中吸附的水不斷釋放出來,對界面處的漿體起到養護作用,使界面得到增強。Zhang[2,3]等探討了幾種不同輕集料制備混凝土界面區結構的變化,研究發現:高強、表面致密的輕集料形成的界面區結構與普通混凝土界面區相似,而表面多孔輕集料形成的界面區結構得到有效改善,在輕集料周圍形成一層致密的水泥石結構。其分析認為:在輕集料混凝土新拌階段,部分水泥漿體進入輕集料表面開口孔內,且進入輕集料表面開口孔水泥漿體的量與輕集料表面狀況有密切聯系,這就使得水泥石能夠緊密的包裹在輕集料周圍,輕集料與水泥石之間形成了嵌鎖結構,從而提升了輕集料與水泥石之間的粘結力。
王發洲[5]在吳中偉的“中心質假說”基礎上提出了輕集料-水泥石界面區優化結構模型,如圖2所示。在混凝土新拌階段,部分水泥漿體滲入輕集料表面開口孔和微裂縫中,隨著水泥水化的進行和輕集料與水泥石內部毛細孔的濕度差,輕集料內的水分逐漸釋放出來,內養護作用使得輕集料周圍的水泥漿體得到由內而外的養護。從整個輕集料混凝土層面來看,輕集料之間分散均勻,各輕集料之間中心質效應能夠相互疊加。在輕集料內養護作用以及礦物摻合料的協同作用下界面區結構密實和均勻,從而顯著提高了輕集料混凝土力學性能和耐久性能。

圖1 輕集料-水泥石界面區結構模型Fig.1 The microstructure model of interfacial transition zone between mortar and LWA

圖2 輕集料混凝土界面優化結構模型Fig.2 Optimal microstructure model of interfacial transition zone in light aggregate concrete
王濤[10]認為,高強輕集料混凝土界面的理想結構模型為:在輕集料表面形成一層致密堅硬無機殼,無機殼中部分未水化的水泥顆粒能在混凝土水化過程中形成CSH凝膠,與水泥石中的CSH凝膠相互穿插,形成更加致密的過渡區,并能均勻分散在水泥基材料中。楊婷婷[11]在基于集料功能設計的水泥石界面性能研究中指出理想功能集料包括表面活性層和多孔內核兩個部分,表面活性層可直接參與水泥水化生成水化產物,而多孔的內核能夠提供內養護氛圍,這將從根本上優化界面結構。從上述中可以看出,不同文獻中雖提出了界面區的微結構模型,但對影響輕骨料的內養護作用的各種因素以及礦物外加劑對界面結構影響的研究尚不全面,這就需要對界面區微觀結構進行深入系統的研究,從而才能為輕集料混凝土的結構優化設計提供理論依據。
從國內外研究現狀來看,雖然涉及混凝土界面區研究范圍很廣,但大致都從以下三個角度進行重點研究[12]:(1)界面區微觀結構特征的表征方法;(2)界面區結構與性能的影響因素;(3)界面區結構與性能對混凝土整體性能的影響。從細觀和微觀角度提出優化輕集料周圍界面區結構與性能的方法,建立起微觀結構與宏觀性能之間的定量關系,探明輕集料混凝土界面區的形成機理,從而實現在各種環境下對混凝土性能的調控與預測,這也是調控輕集料混凝土宏觀性能的新途徑和必然趨勢。
3.1輕集料-水泥石界面區性能
輕集料與普通集料在結構上的差異決定了輕集料混凝土界面區具有不同的性能特征[13]。由于受水膜作用、單側致密作用和顆粒堆積作用的影響,普通混凝土界面區的主要特征是AFt和CH粗大晶休富集在界面區,并呈定向排列,C/S比高,結構較基體疏松。因此,界面區是普通混凝土中最薄弱的區域,是外界有害物質侵入的通道[14]。界面區微結構定量研究發現,界面區平均孔隙率約為基體的三倍[15],較高的孔隙率不利于抵抗侵蝕性介質的侵入并促進了有害化學反應的進行。與普通集料相比,輕集料-水泥石界面區結構致密,水泥水化程度高,孔隙率和水化產物鈣硅比較低,無CH富集,C-S-H等水化產物進入輕集料表面的空洞中,界面區性能的改善明顯提升了混凝土的宏觀性能[16]。胡曙光等[17]也指出輕集料混凝土界面區水泥石的孔隙率和平均孔徑顯著下降,提高了輕集料混凝土抗滲性能。Lo等[4]發現輕集料混凝土中界面區存在厚度5~10μm的鈣礬石層,并具有很多直徑為0.3~1μm的孔,孔徑大于混凝土中毛細孔的一般直徑。


圖3 高強輕質混凝土中的拱殼狀界面區Fig.3 Lightweight aggregate high strength concrete with the arch shell structure
3.2輕集料-水泥石界面區形成機理
輕集料與水泥石界面區形成機理較為復雜。首先輕集料混凝土與普通混凝土最大的區別在于集料不同,而制備輕集料的主要原料是硅酸鹽和鋁酸鹽,化學成分中氧化硅和氧化鋁所占比例達到60%~80%。輕集料是經高溫燒結并急速冷卻形成,在此條件下生產出的輕集料,高溫相很難平衡析晶,輕集料是一種無定形的鋁硅酸鹽結構[20]。事實上,在堿性溶液介質中,輕集料將發生水化反應,這種潛在的化學活性使得其在輕集料混凝土中能夠發揮很好的結構效應。張勇、祁景玉等[21,22]在輕集料混凝土界面區結構研究中也發現輕集料中含有一定量的無定形鋁硅酸鹽,具有一定的潛在活性,能與水泥石中CH發生火山灰反應,提高了輕集料與水泥石的界面粘結力。
另外,輕集料是一種多孔材料,輕集料的多孔性決定了其在水泥漿體中的吸返水特性,在新拌混凝土中,輕集料的吸水作用可減少輕集料下部由于內分層形成的水囊,避免CH在界面區的富集和定向排列;在水化初期,輕集料的吸水作用,能夠降低集料周圍局部水灰比,從而使界面區的結構比水泥石基體更加密實;隨著水化反應不斷消耗水泥漿體中的水分,水泥石孔隙中的相對濕度逐漸降低,當其低于輕集料孔隙相對濕度時,輕集料中的水分釋放出來,這種內養護作用使界面區的水化相對與基體更為充分,形成性能優于水泥石基體的界面區,使得界面區不再是輕集料混凝土中最薄弱的區域,這種吸返水性能必將影響輕集料混凝土界面區結構與性能[23]。輕集料這種吸返水特性已被廣大學者研究與認識[24-28],鄭秀華[29]也對輕集料在水泥漿體吸返水規律進行了系統的研究,并對輕集料內養護作用中的水分子遷移機理進行了分析和討論。
輕集料混凝土的性能受輕集料性能波動比較敏感,一般在工程應用中傾向于保持輕集料輕質低吸水率,其生產配制的輕集料混凝土同時滿足高強度、良好的泵送能力和優質的耐久性[30]。實際上,輕集料的品質受生產技術條件、生產方法等條件限制存在一定的波動,而關于輕集料吸返水特性以及界面區的形成機理研究一直是輕集料混凝土研究的重要環節。因此,從界面區調控的角度實現輕集料混凝土各性能之間的協調統一具有一定的技術難度。
4.1輕集料-水泥石界面區對強度的影響
普通混凝土界面區具有較多的微裂紋和孔隙,同時CH板狀晶體在界面區處富集和定向排列,界面區的存在大大降低了混凝土強度性能。而輕集料混凝土由于輕集料多孔性,其界面區組成與結構與普通混凝土發生明顯的變化,輕集料與水泥石界面區基本無裂紋,水泥漿體已滲透到集料內部,輕集料與水泥石嵌套結構是輕集料混凝土早期強度較高的原因,輕集料混凝土7d抗壓強度一般能夠達到28d抗壓強度80%左右[21]。而Pietro等[31]發現輕集料混凝土7d強度會降低,28d強度與普通集料混凝土區別不大。Zhutovsky等[32]也有類似的發現,輕集料混凝土早期強度會降低12%,后期強度影響較小[33]。
翟紅俠等[34]采用非煅燒粉煤灰輕集料配制高強混凝土,發現其界面區有一過渡環,在過渡環中沒有發現晶體尺寸較大的CH晶體,且隨著水化時間的增長,過渡環粘結力越強,界面區密實程度提高,高強混凝土破壞時不再界面破壞,提高輕集料的強度,可配置強度更高的輕混凝土。張寶生等[35]在研究預濕程度對頁巖陶粒混凝土顯微結構及強度的影響時發現頁巖陶粒隨預濕程度的提高,陶粒混凝土的早期強度降低較大,而后期強度差距較小,并有超過未預濕的陶粒混凝土的趨勢。鄭秀華等[36]等研究了引氣劑對輕集料混凝土性能的影響,發現輕集料混凝土拌合物中含氣量小于5.5%,輕集料混凝土抗壓強度有所提高,其分析認為:輕集料混凝土中摻入引氣劑有效的抑制輕集料的上浮,提高了輕集料混凝土的勻質性,減少了輕集料混凝土拌合物的分層離析、泌水,改善了砂漿的孔結構,漿體-輕集料界面缺陷明顯改善。
4.2輕集料-水泥石界面區對體積穩定性能的影響
對于輕集料混凝土而言,輕集料性能不但對強度有重要影響,對收縮變形性能也有直接的影響[37]。混凝土收縮主要是由水泥漿體收縮所引起,集料則對水泥漿體收縮起限制作用。輕集料是多孔材料,其強度和彈性模量都大大低于普通集料,因而輕集料對水泥石收縮變形的抵抗能力明顯低于普通碎石的抵抗作用。高強輕集料混凝土的制備往往膠凝材料用量較高,使得輕集料混凝土的彈性模量小,收縮和徐變大,體積變形穩定期增長[38,39]。同時輕集料具有多孔保水性,能在水泥水化過程中不斷為未水化的水泥提供水分,在一定程度上減緩混凝土的自收縮,但是由于輕集料彈性模量小,這種減緩作用不足以彌補其限制收縮能力差的性質。
高英力等[40]指出,輕集料中含水量對自收縮變形影響較大,預濕處理的的輕集料,內養護作用能夠部分彌補水泥石基體水化引發的相對濕度降低,從而降低了自收縮;且隨著輕集料預濕程度的提高,這種減縮效果越明顯。文獻表明[41,42]:增加輕集料預濕程度、摻加粉煤灰、加入膨脹劑和纖維在一定程度上有利于輕集料混凝土體積穩定性的提高。ArnonBentur等[43]研究也發現:雖然輕集料混凝土收縮徐變通常比普通混凝土高,但輕集料混凝土早期收縮則比普通混凝土小,而徐變則不總是比等強度普通混凝土大,徐變隨強度的增加而降低;另外,由于輕集料較低的彈模引起較大的彈性應變,輕集料在荷載下的總變形高于普通混凝土。
4.3輕集料-水泥石界面區對耐久性能的影響
混凝土耐久性是指混凝土長期暴露在服役環境下抵御各種復雜環境和抗災變破壞能力,良好的耐久性也是高性能混凝土一個重要指標。文獻 [44,45] 報道了輕集料與水泥石界面粘結緊密,消除了普通混凝土石子與水泥石間存在的較大縫隙,使得輕集料混凝土的抗滲性有較大改善。摻合料礦渣和粉煤灰的微集料效應和持續水化作用,使輕集料混凝土密實度提高,并有效地填充和堵塞了混凝土氣孔和毛細孔通道,使得輕集料混凝土吸水率大幅下降,抗滲性提高,同時輕粗集料內部孔隙較大且多數不相互連接,有利于混凝土局部破壞應力的吸收,因此輕集料混凝土具有良好的抗凍性和抗腐蝕性。吳芳等[46]在研究輕集料混凝土抗氯離子滲透性能時發現:陶粒預濕處理會降低輕集料在新拌混凝土中的吸水能力,從而預濕陶粒界面區的水灰比高于未預濕處理的陶粒,導致相應界面區密實度較低,為侵蝕離子提供更多的通道,對高強輕集料混凝土早期抗氯離子滲透性能產生不利影響;同時礦物摻合料的摻入改善了漿體-輕集料微觀結構和水化產物組成,減少了CH在界面區的富集和定向排列,強化界面區性能,從而提升了輕集料混凝土抗氯離子滲透性能[47]。王發洲,胡曙光等[48]在研究輕集料混凝土抗滲性能時也發現礦物摻合料的火山灰效應和輕集料的內養護作用使得界面區孔結構得到有效改善;同時摻合料的摻入減少了水泥的用量,有效的降低了水化熱,緩解了因熱應力而導致的微裂紋,提升了混凝土抗滲性能。
以往的研究和實踐均表明輕集料混凝土具有優良的耐久性,但需要注意的是,輕集料是一種多孔材料,自身的抗凍性和滲透性較差,輕集料中多而小的封閉孔可緩解冰晶壓和硫酸鹽侵蝕產物的結晶壓,輕集料的內養護作用可改善輕集料水泥石的界面結構,但輕集料預飽水程度較高也將對集料混凝土帶來負面影響。文獻[49]報道了延長輕集料預飽水時間雖可減少混凝土坍落度的經時損失,但混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性也會明顯變差。在工程實踐中,需要對輕集料混凝土工作性、強度、耐久性能等各方面性能進行協調。
目前國內外學者在輕集料混凝土界面區自身的形成、結構與性能及其對混凝土性能影響等方面做了大量的研究工作,也取得了豐富的研究成果,但輕集料混凝土界面區是一個復雜的體系,還存在諸多尚未解決的問題,建議集中研究于以下三點問題:
(1)雖然國內外學者針對輕集料混凝土界面區做了大量工作,提出了輕集料混凝土界面區的理想結構模型。但缺乏關于輕集料混凝土界面區形態、分布以及界面區微結構、彈性模量與基體間差異對輕集料混凝土性能影響規律的系統研究,尤其缺乏關于輕集料高強混凝土中拱殼狀界面區的形成機制研究,以及拱殼狀界面區提升混凝土力學性能和阻止有害介質傳輸的作用機理研究;
(2)輕集料混凝土表面多孔,結構較粗糙,其特有的吸返水特性對界面區的結構有一定的改善作用,目前關于研究輕集料混凝土單一性能的文獻較多,但關于多項性能系統性研究尚較為缺乏,以及輕集料表面狀況、吸返水能力以及預飽水程度對界面區結構性能影響程度和規律尚不能解釋清楚;
(3)混凝土的性能與其內部孔隙和孔的連通程度密切相關,輕集料混凝土中包括輕集料和水泥石的孔,其中輕集料中孔的孔徑大小、孔的多少以及孔的連通程度,其對混凝土整體性能有什么影響一直是混凝土工程界爭論的焦點,尤其是關于輕集料中的孔與水泥石的孔分別對混凝土的性能有著什么樣的不同影響,關于這方面的研究目前很少報道。
輕集料混凝土界面區的形成與作用機理決定了輕集料混凝土的力學性能和耐久性能,進而決定了輕集料混凝土的服役壽命。因此,有必要探明輕集料混凝土界面區形成與作用機理方面尚未解決的問題。本文簡要概括了輕集料混凝土界面區相關結構模型,綜合分析了輕集料混凝土界面區形成機理以及界面區對混凝土整體性能的影響,總結了輕集料混凝土界面區研究中存在的不足和值得深入研究的方向。從國內外研究現狀來看,大多數的研究停留在定性分析界面區對混凝土整體性能影響方面。因此,必須探明輕集料混凝土界面區組成、結構以及形態對混凝土性能的影響規律,建立界面區與混凝土宏觀性能之間的定量關系,進而實現對輕集料混凝土性能的調控。這將對豐富和完善輕集料混凝土界面理論和高強混凝土設計制備理論,提高輕集料高強混凝土綜合性能,延長輕集料高強混凝土生命周期,節約資源能源具有重要意義。
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ReviewontheMechanismofFormationandActionoftheInterfacialTransitionZoneinLightAggregateConcrete
SUN Dao-sheng1,3,LI Yang1,3,ZHANG Gao-zhan1,2,3
(1.SchoolofMaterialsandChemicalEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China;2.SchoolofMaterialsandChemicalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;3.AnhuiKeyLaboratoryofAdvancedBuildingMaterials,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)
Thecomposition,structureandpropertiesofinterfacialtransitionzoneisthekeytodeterminetheperformanceoflightaggregateconcrete.Focusingonthestructureandperformancecharacteristicsoftheinterfacialtransitionzoneinlightaggregateconcrete,themicrostructuremodelsandcharacterizationofmicrostructureofinterfacialtransitionzonewererepresented,themechanismofformationoftheinterfacialtransitionzoneinlightaggregateconcretewereanalyzed,theperformanceoflightaggregateconcretesuchasmechanicalproperties,durability,volumestabilitywerereviewed,theshortageoftheresearchwithrespecttointerfacialtransitionzoneinlightaggregateconcreteandsomefutureresearchareasweresummarized,whichprovidesareferenceforfurtherstudyoninterfacialtransitionzone.
lightaggregateconcrete;interfacialtransitionzone;microstructuremodel;mechanismofformation
國家自然科學基金項目(51402003,51308004)
孫道勝(1963-),男,博士,教授.主要從事水泥基材料方面的研究.
張高展,博士,講師.
TU528
A
1001-1625(2016)01-0185-07