凍融作用下巖石-混凝土界面損傷研究進展

劉杰， 奚家米，， 賈海梁， 王新剛

（1.西北大學地質學系大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069；2.西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054）

0 引言

在寒區凍融作用對巖石-混凝土界面的粘結性有顯著影響。近年來，隨著寒區基礎工程的不斷發展，人們越來越重視凍融作用對工程安全性與穩定性的影響。混凝土作為巖石工程（隧道工程，巖石邊坡等）的重要支護手段之一，與圍巖共同承載外力，依靠接觸面傳遞應力與位移。由于巖石和混凝土的材料性能不同，它們之間的相互作用必然影響巖石-混凝土系統的穩定性，兩者界面通常被認為是薄弱結構面，在實際工程中應加以重視。

巖體與混凝土內部存在著各種類型缺陷，在反復凍融作用下，冰水相變導致這些缺陷受反復凍脹荷載而不斷擴展，巖石-混凝土之間的薄弱相互作用面也會脫粘、錯動、甚至斷裂，進而導致混凝土支護工程失效。因此，巖石-混凝土之間的粘結性能是支護結構能否很好發揮功能的關鍵。研究凍融作用下巖石-混凝土接觸面的損傷劣化機制對寒區大量興起的工程建設具有重要的理論意義和實際價值，文中通過查閱分析相關文獻資料，主要針對凍融作用下巖石-混凝土界面損傷的研究進行綜述，期望為以后此方面的研究提供一定的參考價值。

1 巖石-混凝土界面凍融損傷演化規律

1.1 力學性質的劣化

凍融作用會明顯弱化巖石或混凝土的強度，并劣化巖石-混凝土的膠結性能，相關研究成果見表1。

表1 凍融作用對巖石-混凝土力學性質劣化方面

1.2 物理性質變化

凍融循環作用會促進巖石或混凝土內部孔隙的擴展和貫通，提高孔隙度，加劇了材料內部的損傷破壞。周科平等［5］利用核磁共振技術研究了凍融循環前后巖石的孔隙特征，試驗結果表明，隨著凍融次數的不斷增加，巖石內部孔隙度不斷增大，造成了巖石強度的損失；田威等［6］利用CT掃描技術研究了混凝土的凍融損傷過程，結果表明在凍融損傷初期，由于水分逐漸滲入孔隙，CT數均值逐漸增加；隨著凍融次數的增加，試件內部裂紋不斷擴展，導致了CT數均值大幅降低。

凍融循環使巖石或混凝土的孔隙增加，導致其波速特征發生了衰減。郭長寶等［7］對花崗巖開展了凍融循環力學試驗，并通過核磁共振法和波速法分析了其損傷發展趨勢，試驗結果表明，凍融循環作用使花崗巖內部產生了裂隙，加劇了巖石的內部損傷，巖石的波速隨著凍融循環次數的增加而降低；巖石的峰值強度、殘余強度以及彈性模量隨著凍融循環次數的增加而降低。圖1為不同凍融循環次數下花崗巖-混凝土界面宏觀裂紋擴展情況。

圖1 不同凍融次數下花崗巖-混凝土界面裂紋擴展情況

2 巖石-混凝土界面凍融損傷的影響因素

巖石-混凝土界面的粘結力對支護效果至關重要，因此眾多學者對影響界面粘結性能的因素進行了充分的研究，主要研究成果見表2。

表2 巖石-混凝土界面粘結力影響因素方面主要研究成果

2.1 自身性質

孔隙率是影響巖石或混凝土凍融損傷的重要因素。奚家米等［12］對經歷凍融作用前后的粗粒砂巖和中粒砂巖的物理性質和力學性質進行了研究，發現凍融循環后兩種砂巖的吸水率均增加，單軸抗壓強度都有一定程度的降低，并且粗礫砂巖的強度折減最大，說明了砂巖的內部孔隙分布與含水率是控制凍融損傷的關鍵因素。

巖性對巖石-混凝土界面的強度和破壞模式也有一定的影響。謝和平等［13］在巖石-混凝土界面的抗剪強度方面進行了深入研究，發現界面剪切破壞模式和兩介質的強度比密切相關，隨著界面粗糙度的增加界面抗剪強度越來越依賴于界面兩側強度較弱材料的機械性能。

2.2 界面狀態

巖石-混凝土膠結面的抗剪強度主要由兩部分組成，一部分是界面間凹凸體咬合產生的機械強度，另一部分是界面膠結力，巖石-混凝土界面剪切強度方面的主要研究成果見表3。

表3 巖石-混凝土界面剪切強度方面的主要研究

在界面狀態方面，影響界面膠結性能的主要因素有含水量、親疏水性質、清潔程度等。

在凍融循環作用下，含水量是凍融損傷發生的關鍵。Mainali［17］對凍融作用下花崗巖-混凝土進行了粘結性能試驗研究，認為水是界面產生裂紋的根源；何鵬飛等［18］基于直剪試驗，研究了凍融循環對凍土-混凝土界面強度的影響，發現凍融循環對峰值剪切強度的影響大于殘余剪切強度的影響，凍融過程試件水分向界面遷移形成冰膜，導致不同的初始含水率和溫度對界面峰值強度的影響明顯。

巖石的親疏水性質對界面的粘結強度有重要影響。Shen等［19］針對花崗巖-混凝土復合試件的界面進行了一系列的傾斜剪切試驗，試驗結果表明，對相同JRC，親水性界面的粘結強度大于疏水界面；界面粗糙度越嚴重，親水性對粘結性的影響越弱；沈承中［20］指出，由于疏水性巖石的巖面與噴射混凝土的漿液呈互斥狀態，漿液不能充分進入巖面，因此噴射混凝土與疏水性圍巖的粘結性更差。而親水性巖石表面易吸收混凝土漿體水分，導致C-S-H基團可以較易浸入巖石內部，通過水化反應產生“樹根狀”效應，從而提高巖石-混凝土膠結力［21］。

2.3 外部因素

外部環境對巖石-混凝土界面凍融損傷的發展同樣有重要影響。馬秋娟等［22］采用鉆芯拉拔法研究了巖壁溫度對巖石-噴射混凝土粘結強度的影響。結果表明，在空氣相對濕度為90°C的養護條件下，巖壁溫度越高，圍巖-噴射混凝土之間的粘結性越低；王明年等［23］對巖石-混凝土界面進行了室內剪切試驗，發現隨著初始養護溫度的不斷升高，界面剪切破壞模式由沿膠結面破壞轉變為混合剪切破壞，且峰值剪切應力不斷降低；崔圣愛等［24］采用改進的鉆芯拉拔法，測試了干熱工況條件下齡期為7d和28d的圍巖與噴射混凝土的粘結強度，發現相比20°C標準養護溫度，干熱養護條件下圍巖與噴射混凝土的粘結強度發生嚴重倒縮，且干熱環境對28d齡期的粘結強度影響更大；Tian等［25］研究了不同法向應力下具有光滑巖石表面的巖石-混凝土界面的剪切特性，指出在較小法向應力作用下，峰值剪切應力主要取決于界面的粘結強度，同時在法向應力增大的過程中，界面會發生突然破壞和逐漸破壞兩種破壞過程；Tang等［26］研究了溫度和濕度對圍巖-噴射混凝土粘結強度的影響，研究人員認為溫度的升高增加了界面孔隙的數量，從而降低了界面粘結強度，同時相對濕度的增加提高了界面的粘結強度。

綜上所述，影響巖石-混凝土界面強度的因素有很多見圖2，主要為材料自身性能、界面狀態。此外，外部環境也對界面凍融損傷有一定程度影響

圖2 影響巖石-混凝土界面強度的因素

3 巖石-混凝土界面過渡區（ITZ）凍融損傷機制

混凝土界面過渡區（ITZ）是介于水泥漿體和集料之間的第三相，由于水泥漿體與集料的自身性質不同，因此在兩者接觸區會產生明顯的界面效應，表現為ITZ的物理力學性能低于集料與水泥漿體。眾多學者對ITZ的微觀力學性質進行了深入研究，發現隨著與集料距離的增加，ITZ的力學性質先降低后升高，呈現出典型的“U”字型特征，因此ITZ被認為是混凝土的薄弱帶，也是混凝土最先損傷破壞的地方［27］見圖3。

圖3 不同凍融次數下砂巖-混凝土ITZ的微觀結構變化

同樣的，ITZ概念也被應用于其他復合材料，如Wall等［28］將舊混凝土認為“集料”，進行了新舊混凝土界面過渡區（ITZ）的研究。對于巖石-混凝土二元體，水泥漿體作為巖石和混凝土連接的“橋梁”，也具有明顯的界面效應，因此可將巖石作為“集料”看待，研究巖石-混凝土界面過渡區（ITZ）。由于巖石-混凝土ITZ容易在外界條件下脫粘損傷，因此研究ITZ的凍融損傷機制是非常有必要的。

凍融作用對ITZ的微觀結構和力學性質具有明顯的劣化作用。ITZ由于自身特性，成為了水分遷移的快速通道，加速了凍融損傷的劣化。

謝瑞峰等［29］對超高性能混凝土界面過渡區ITZ的微觀力學性能進行了研究，并且發現隨著凍融次數的增加，ITZ微孔逐漸增多、彈性模量降低，并且在經歷1500次凍融循環后，ITZ厚度從20um擴展到了65um；陳仁宏等［30］利用納米壓痕和掃描電鏡對經歷不同凍融循環次數的混凝土ITZ進行了試驗研究，結果表明不同的尺度下，凍融作用對ITZ的影響不同。在納米尺度下，水促進了高密度水凝膠的生長，而在微米尺度下，材料會出現微裂紋，導致混凝土性能退化；Yang等［31］對混凝土ITZ進行了顯微硬度測試，發現隨著凍融循環次數的增加，ITZ的硬度減小，同時ITZ結構逐漸松散，厚度增大，導致混凝土強度降低；Lei等［32］利用掃描電鏡對混凝土試塊進行了探究，認為ITZ在凍融后產生了空隙，削弱了結構性，導致了水泥漿的凝結能力下降，出現明顯劣化。

水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠作為硅酸鹽水泥的主要水化產物，是水泥粘結能力的主要來源，而C-S-H的凝結膠結能力主要來源于氫鍵。隨著凍融循環次數的增加，分子結構中的氫鍵逐漸斷裂，導致ITZ的微觀力學性質不斷降低，最終出現脫粘現象［33］。

綜上所述，凍融循環通過破壞C-S-H的氫鍵，降低了ITZ的硬度和彈性模量、增加了ITZ的孔隙率和厚度，從而劣化了微觀結構和力學性質。

4 應用展望

（1）目前國內外學者對單一介質材料的凍融損傷或常溫狀態下一體兩介質的損傷方面研究成果較多，而對如巖石-混凝土一體兩介質的凍融損傷研究較少，隨著寒區工程建設的不斷發展，此方面的研究將是未來一體兩介質研究的重點方向。

（2）ITZ是巖石-混凝土發揮粘結強度的關鍵，但是對ITZ微觀結構的凍融損傷研究目前還主要停留在定性階段，定量研究發展尚不充分；同時目前的ITZ模型大多是在常溫環境下提出的，適用于凍融環境下的ITZ模型還需要進一步研究。

（3）由于巖石-混凝土界面的應力狀態十分復雜，因此在研究時，多因素耦合下凍融損傷的全方位研究非常必要。

（4）巖體的損傷尺度與相應尺度的損傷識別是研究巖體多尺度凍融損傷的關鍵。微細觀凍融損傷識別可直接反映損傷的擴展演化，而宏觀凍融損傷識別可反映其力學性質的變化。因此，損傷識別技術在凍融損傷方面的研究還需不斷深入，如：CT圖像結果和SEM技術的定量化識別分析、基于NWR技術的系統化理論的建立。

5 結語

（1）在季節性凍土區，巖石-混凝土系統的穩定性對工程的安全有著重大影響，巖石-混凝土界面作為薄弱環節最易受到凍融作用的影響，致使強度下降，從而導致支護工程失效。因此，巖石-混凝土界面的凍融損傷研究是十分重要的。

（2）總結了巖石-混凝土界面的凍融損傷演化過程和界面強度影響因素，同時對巖石-混凝土ITZ的凍融損傷機理進行了分析，較全面地歸納總結了巖石-混凝土界面凍融損傷方面的研究成果，可以為興起的寒區工程發展提供參考依據。

（3）考慮到巖石-混凝土界面強度對工程的重要性，應采取一些措施來提高界面強度，如通過人工鑿刻增加界面粗糙度、預先噴涂界面劑、添加礦物摻合料、優選骨料、改善試件制作養護工藝、降低水灰比等。目的是改善界面的力學性能，從而延長寒區混凝土支護工程的使用年限。