巖石-混凝土界面抗剪強度劣化研究進展

岳 娟，盛金昌，王惠民，劉星星

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

混凝土作為一種造價低廉、性能優異的建筑材料，已被廣泛使用在重力壩、隧道、防滲帷幕、橋基等工程中。當混凝土被直接澆筑到基巖表面時，兩者因力學性能的差異會形成明顯的材料分界面[1]。與完整的基巖以及混凝土工程體相比，巖石與混凝土間的界面過渡區(ITZ)具有孔隙度高、致密性差、氫氧化鈣(CH)富集、滲透性大、抗剪強度低等特點，對整體結構普遍存在負面影響，因此，對過渡區的特性研究一直是工程領域討論的熱點[2-4]。現階段一些學者逐漸認識到，巖石-混凝土結構工程的使用壽命和耐久性很大程度上取決于水與腐蝕性離子滲透到材料的可能性[5]。巖石-混凝土界面(以下簡稱“界面”)作為整個結構的薄弱環節，被認為是侵蝕溶液進入工程體的主要路徑之一，其力學特性的劣化對整個工程的穩定性有顯著影響。在長期的運行過程中，巖石、混凝土內部結構會發生損傷，界面作為天然薄弱面，更容易受到外界環境的影響，從而導致預估外的損傷。對于高巖溫的隧洞工程，例如新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞，高巖溫與低水溫的工作環境使得襯砌混凝土產生較大的溫差以致混凝土內部及界面處產生較大的拉應力，嚴重影響工程體的耐久性；而對于凍土地區工程，長期的凍融循環不僅會對混凝土防護工程產生影響，孔隙內的水-冰相變膨脹、融化也會導致界面產生裂縫，從而導致混凝土支護的脫落；對于混凝土壩體結構工程，在滲透水壓長期侵蝕、沖刷作用下，巖基、壩體強度不斷降低，甚至被掏空，在外加荷載共同作用下，會導致滑動面的生成，最終影響壩體的整體穩定性。據國際大壩委員會對重力壩潰壩原因的統計分析，引起混凝土大壩潰壩的主要原因是壩基或壩肩的滑移破壞(占47.4%)以及持續漫頂引起的整體壩體失穩(占23.7%)。

巖石-混凝土結構工程的使用壽命和耐久性很大程度上取決于弱結構面力學性能的退化程度。目前針對界面裂縫擴展、斷裂特性、抗拉強度、剪切特性等方面的研究成果很多，而針對在復雜環境作用下界面抗剪強度的劣化過程研究較少，且大多是基于單一環境因素下的試驗現象。水利工程中的巖石-混凝土結構工程，不僅長期承受各種荷載作用(靜水壓力、自重荷載、揚壓力等)，還會持續受到惡劣環境(高壓滲流、溶蝕、沖刷)的有害作用。壩基、壩體以及防滲結構的力學指標、滲透性能和穩定性能隨著運行時間的增加，逐漸衰退老化，最終引起大壩的抗滑穩定問題。針對這一問題，本文圍繞界面抗剪強度劣化影響因素、抗剪強度劣化試驗以及抗剪強度劣化模型3個方面對界面抗剪強度劣化過程進行綜述，并對該領域需要研究解決的問題進行了展望。

1 界面抗剪強度劣化影響因素

1.1 界面初始結構特征

界面初始結構，包括巖基表面原始粗糙度、界面過渡區孔隙結構，不僅決定了巖石-混凝土結構工程的初始抗剪強度、滲流特性，還能反映界面的抗侵蝕能力。

巖基表面的原始粗糙度可直接反映界面的抗剪強度大小，國內外學者就規則與不規則的粗糙度對抗剪強度的影響進行了大量的研究，并建立了相關抗剪強度模型[6-8]。多位學者就強堿、強酸、凍融、高溫、酸雨與干濕循環等惡劣環境下界面黏聚力的劣化進行了研究，認為粗糙度越大，界面抗剪強度越高，其抗劣化能力也越強；但是，Shen等[9]對光滑、微粗糙、極粗糙3種花崗巖-混凝土二元體試件進行了凍融循環試驗，結果表明粗糙度對界面的抗劣化能力并不是單純的遞增效果，認為光滑界面的試件更加容易受到凍融損傷，而微粗糙界面抗凍性能最好。

界面過渡區孔隙結構可認為是在界面處的未黏結區域，由于孔隙度很小，它對黏聚力的影響較小，可忽略不計，而對界面過渡區的滲流特性、儲水特性影響較大，從而間接影響界面抗剪強度的抗劣化性能。現階段一些學者就界面過渡區孔隙結構特征以及界面過渡區的滲透性能進行了大量的試驗及數值模擬研究，如Halamickova等[10]指出在集料-漿液界面形成的多孔過渡區會影響整體材料的孔隙特性，并采用壓汞法得到了不同體積分數下砂漿的孔隙結構，評估了孔隙結構變化對離子擴散系數、滲透率等傳輸特性的影響，建立了滲透系數與臨界孔徑之間的關系，認為界面區的滲透系數較兩側基質大。

綜上所述，巖基表面原始粗糙度在一定程度上會提高界面的抗劣化性能，但有關巖石-混凝土二元體結構的劣化試驗條件大多為單一的環境因素，對復雜環境因素耦合作用下基巖粗糙度對界面抗劣化能力的定量分析仍有待進一步研究。而關于界面孔隙結構對其力學性能劣化的研究鮮有報道，尤其是巖石-混凝土二元體結構在復雜的環境因素下，界面的孔隙結構特性變化對滲流特性、二元體結構力學性能劣化影響的研究更少。

1.2 界面抗剪強度劣化影響因素

1.2.1化學侵蝕

1.2.2溫度效應

溫度效應包括高溫變溫與凍融循環兩種情況，大多針對處于特殊地質環境下的隧道工程。高溫變溫一方面會加速水泥的水化過程，提高早期強度；另一方面，加速的水化過程會導致水泥漿水化反應不充分，使混凝土內部以及界面區結構疏松多孔，強度降低。凍融循環作用下，孔隙內水-冰相變膨脹會導致界面產生不同尺寸的微孔破裂，而當孔隙的冰相變為水時，流體從破裂的微孔中流出，進一步加速材料的破壞。

目前關于巖體-支護二元體結構在高溫變溫以及凍融循環作用下的變形規律及其相互作用機制方面研究成果較多。例如：Hu等[15-17]就巖石-噴射混凝土二元體結構在高溫養護環境下的破壞模式、力學特性的劣化過程和支護結構的應力場變化進行了研究，結果表明，高溫對噴射混凝土水化產物的數量與分布有顯著的影響，會引起微裂縫的形成與增加，降低界面抗剪強度；項偉等[18-21]研究了巖體混凝土二元體在凍融循環作用下的變形特征、力學性能劣化模型以及微觀脫黏機制，認為凍融循環作用下巖石-混凝土二元體結構凍融損傷擴展主要是由于界面兩側介質內溫度分布不均勻，產生內部應力，加上水-冰相變產生的膨脹壓力使得基質內部與黏結區域遭受破壞所致；亦有學者通過對界面兩側基質、界面區黏聚力的劣化損傷定量分析，構建了界面抗剪強度凍融劣化模型[22]。

1.2.3荷載作用

荷載作用指巖石-混凝土二元體結構在運行過程中所承受的應力，例如持續性的荷載或周期性的荷載。持續性的應力狀態會引起孔隙和裂紋的閉合、擴展和連接，對界面的剛度、強度等性質有很大的影響；另外界面的應力狀態還會影響界面孔隙的形態以及界面的黏結性能，壓應力使孔隙閉合，界面變得更加密實，從而抑制CH溶解的速率，提高整體結構的抗侵蝕性；拉應力會使界面微裂縫張開，增大孔隙通道的連接性，減小界面黏結面積，加快侵蝕速度。周期性荷載，例如橋梁工程受到的車載、水工結構工程受到的水壓力和風載等周期性的荷載，會導致界面裂紋萌生并且擴展，并隨著循環的次數逐年累加，導致界面力學性能劣化。

金瀏[23]基于孔隙率與體應變之間的關系，得到了多孔混凝土的本構模型，通過對加載過程中孔隙率變化的數值計算結果表明：材料受到拉應力時，考慮孔隙率變化比不考慮孔隙率變化獲得的拉伸強度降低約10%；材料受到壓應力時，考慮孔隙率變化比不考慮孔隙率變化獲得的壓縮強度提高約7%。王一鳴[24]針對混凝土長期承受水壓力循環荷載，對巖石-混凝土復合梁進行了一系列不同應力水平的三點彎曲疲勞試驗，研究了低應力循環荷載對界面斷裂參數的影響以及界面斷裂演化過程，認為循環荷載作用下，巖石-混凝土復合梁脆性特征更加明顯，抵抗裂縫失穩的能力降低。

綜上所述，化學侵蝕、溫度效應以及荷載作用是巖石-混凝土二元體結構在運行過程中常見的環境因素，對界面抗剪強度劣化有重要影響。現階段，針對溫度效應與荷載作用下巖石-混凝土二元體結構力學性能的劣化研究均有開展，而有關巖石-混凝土二元體結構在化學侵蝕中的劣化過程大都是基于混凝土內部物相與化學溶液的反應過程來描述的。化學溶蝕是水工結構工程體在運行過程中不可忽略的環境因素，尤其是高水壓作用下的滲透溶蝕，界面過渡區作為整個結構的薄弱層，其力學性能的劣化不可忽視，因此關于滲透溶蝕對巖石-混凝土二元體結構力學性能的研究還有待進一步深入。

2 界面抗剪強度劣化試驗研究

2.1 界面宏觀抗剪強度試驗方法

混凝土大壩、橋梁等建筑物的穩定性通常是由基巖軟弱層或界面的抗剪強度決定的。因此，界面的抗剪強度試驗是工程設計中不可缺少的部分。Bost等[25]對1 m×1.25 m×1.5 m的大尺度巖石-混凝土試件進行了室內試驗，根據混凝土大壩的壩高特性，將正應力取值為0.2～1 MPa(100 m壩高范圍內混凝土壩)，得到了不同正應力下界面的損傷形態、荷載位移曲線，為評價重力壩的破壞機制提供了依據。剪切試驗常用的方法有直剪法、斜剪法和單剪法。直剪法簡單，易于操作，但不利于研究材料的剪切疲勞特性；斜剪法與單剪法不便研究豎向應力對界面抗剪特性的影響。在界面抗剪試驗研究中，可根據實際情況選擇不同的試驗方法。

2.2 界面微觀試驗技術

微觀尺度上界面被看作是巖石、砂漿、界面過渡區組成的復雜結構體，由于在巖石表面會形成水膜，導致巖石表面的水灰比要高于遠離巖體的部位，因此在巖石表面的結晶產物為較大的晶體，形成的多孔結構孔隙率更大[26-27]。Ollivier等[28]從界面的孔隙度變化、界面水化特性以及界面水化產物的形態出發，綜述了界面過渡區的形成機理與微觀結構，認為在巖石表面會有一個孔隙度梯度，越靠近集料表面孔隙度越大。由于集料表面的泌水作用以及水泥顆粒堆積產生的邊壁效應(wall effect)，集料附近CH含量相對于漿體內部高、水化硅酸鈣(CSH)含量相對于漿體內部低。理論上，界面過渡區的高孔隙度有利于侵蝕介質入侵并發生化學反應，而高含量的CH也會加速侵蝕，兩者結合進一步劣化了界面過渡區的抗侵蝕性能。

材料的宏觀性能是由其化學組成與微觀結構決定的，因此要揭示界面區的滲透溶蝕機理，需要通過微觀試驗來定量分析界面區形貌、孔隙結構、Ca2+、Si2+含量以及物相的變化規律。微觀試驗技術按功能的不同可以大致分為以下4種類型：①表面微觀結構的表征技術，如電子掃描鏡(SEM)、環境掃描電鏡(ESEM)、背散射電子圖像模式(BEI)、原子力顯微鏡(AFM)等；②表征孔隙結構特征的試驗技術，如壓汞儀(MIP)、CT斷層掃描技術(XCT)、核磁共振技術(NMR)等；③表征物相分布的試驗技術，如X射線衍射(XRD)、電子探針(EPMA)、能譜儀(EDS)、差熱分析儀(DTA)、熱重分析儀(TG)；④表征界面力學性能的試驗技術，如納米壓痕技術與顯微硬度技術。以上微觀試驗技術測試內容及不足匯總于表1。

表1 微觀試驗技術測試內容及不足[22,29-42]

現有很多界面過渡區微觀結構識別技術，但不同技術都有一定的應用范圍以及適用條件，在實際研究中，通常會將以上幾種技術配合使用。針對復雜環境因素下界面力學性能的劣化過程，可以通過以下3種技術的配合使用來獲得：①SEM和EDS結合使用定性分析界面過渡區的微觀結構變化以及定量分析元素含量變化(Ca/Si)；②采用DAT-TG技術獲得不同滲透溶蝕時間下界面區物相的變化以及反應過程(CSH、CH)；③通過納米壓痕技術獲得界面初始及滲透溶蝕后的微觀硬度。

3 界面抗剪強度劣化模型研究

界面的抗剪強度是判斷水工結構基礎穩定的關鍵因素，一般認為影響界面抗剪強度的因素主要包括巖石與混凝土力學性能、界面粗糙特征、界面的初始黏聚力和外加正應力[43]。基于摩爾庫倫準則，國內外學者提出了數十種可用于計算界面剪切強度的公式[22,44-48]。在滲流-應力-化學-溫度耦合作用下，一方面，巖石與混凝土本體材料的礦物組成與微觀結構會發生變化，造成材料密度、彈性模量、孔隙率和CT數等發生變化，最終引起巖石和混凝土強度的損傷[49]；另一方面，界面過渡區鈣離子的溶解與擴散導致界面幾何形態發生變化(孔隙度增加)，膠凝骨架的體積分數降低，界面區微觀硬度與強度降低，直接影響界面的黏結強度。

3.1 界面鈣離子的傳輸模型

對于界面兩側基質，可以通過材料密度、彈性模量、聲波、孔隙度的損傷變量來建立溶蝕過程中巖石、混凝土力學性能隨時間的劣化模型。對于界面過渡區，滲透溶蝕作用下界面區固相鈣會逐漸溶解并向四周擴散，常用的鈣離子傳輸模型有以下3種：

a.Gérard模型[50-51]。該模型是以孔隙溶液中的鈣離子濃度為變量，結合Fick第二定律以及鈣離子質量守恒定律建立的。假設溶液中鈣離子不發生化學反應生成任何新的化合物，僅在孔隙內外濃度差影響下向外擴散，而孔隙內鈣離子的擴散打破了材料內部鈣離子的平衡關系，最終引起固相鈣的溶解。

b.Kuhl鈣溶蝕模型[52]。該模型是基于材料初始孔隙率(包括應力引起的孔隙率)、骨架溶解引起的孔隙增量以及固相鈣溶解分解速率之間的相關關系建立的。除水泥水化產物的溶解外，考慮了外部應力導致膠凝骨架中微裂紋的張開和擴展引起的孔隙增量。但是該模型假設擴散系數不隨鈣離子濃度而發生變化，忽略了鈣離子溶蝕引起的擴散系數的改變。而對于高水壓的化學侵蝕，鈣離子的轉移與對流運動是相關的，因此，此模型忽略了對流性的傳遞，更加適用于不考慮水流以及水壓力狀態的化學侵蝕。

c.Gawin模型[53-54]。Gawin等[53-54]以固相鈣溶解速率為變量，采用多相多孔介質力學方法建立了水泥漿材料在等溫條件下水化產物的溶解擴散模型。該模型是基于去離子水環境中的鈣溶蝕過程提出的一種新型鈣溶蝕模型，建立于物理理論與體積均化的基礎上，綜合考慮了熱、滲流、力學耦合作用下的鈣離子擴散系數，是研究復雜環境因素作用下混凝土鈣溶蝕最常用的模型。

綜上所述，Gérard模型考慮了滲透水壓對鈣離子傳輸的影響，忽略了應力作用對鈣離子擴散性能的影響；Kuhl模型考慮了應力狀態對鈣溶蝕速率的影響，沒有考慮孔隙內對流作用的影響以及溫度效應；Gawin模型基于Kuhl模型進一步改進，除了可考慮滲流-應力-化學耦合作用的影響外，還考慮了由于固液不平衡導致擴散動力增大的影響以及侵蝕溶液在孔隙內的對流作用，但是Gawin模型是基于某一恒定溫度條件建立的，不能考慮溫度變化對鈣溶蝕過程的影響。

3.2 界面過渡區孔隙率演變模型

界面過渡區鈣離子的溶蝕與擴散會導致界面過渡區孔隙率發生變化。從水泥基材料中CH與CSH的溶出角度出發，認為孔隙率的演變通常是鈣離子溶蝕引起的，通常認為CH的溶解產生毛細孔，CSH的脫鈣生成膠凝孔。目前對于孔隙率的演變模型基本分為兩種，一種是只考慮CH的溶蝕，認為膠凝孔對結構滲透性無害[51,55]。該模型認為孔隙增量是通過溶蝕過程中的固相鈣濃度差乘以CH摩爾體積獲得的，不考慮CSH的溶蝕引起的孔隙增量。由于膠凝物質CSH的溶解會直接引起材料力學性能的劣化，更加適用于混凝土由于孔隙增量引起的滲透性的變化。另一種將毛細孔以及膠凝孔的增加均考慮在內[50,53,56]，認為孔隙增量可以通過溶蝕掉的鈣離子總摩爾數乘以CH與CSH的平均摩爾體積獲得。該模型簡化了鈣溶蝕中CH與CSH溶蝕過程，對兩種物相的鈣離子溶蝕結果進行均值化處理，可以簡單、高效準確地獲得多孔介質的孔隙度變化率，綜合考慮了CH與CSH的溶蝕，更加適用于描述材料力學性能的劣化過程。

3.3 界面抗剪強度劣化模型

孔隙的體積分數和膠凝物質含量可以控制材料的宏觀特性(剛度、強度等)，因此，溶蝕過程中界面彈性模量的損傷模型可以通過孔隙率的變化和膠凝物質含量的變化來表征[57]。對于孔隙率的變化需要對不同侵蝕時間下的界面過渡區結構進行宏觀試驗來獲得，目前很難直接獲得界面的孔隙結構參數[23]，通過孔隙體積分數計算界面剛度的損傷還有待進一步研究；對于膠凝物質含量的變化，Stora等[26,58]通過建立砂漿及水泥基材料多尺度均質化模型，預測了砂漿的彈性及擴散特性，認為界面水泥基材料的鈣侵蝕過程可以分為鈣硅比大于0.8以及小于0.8兩個階段。該均質化模型將混凝土的物相組成及化學反應過程與力學性能建立了聯系，盡管有學者就該模型與現有的試驗結果進行了對比，但還處于理論模型階段，需進一步通過試驗進行驗證。

綜上所述，現階段就滲流、化學、應力、溫度對多孔介質幾何微觀結構和孔隙率的影響已經可以進行定量描述，為建立界面抗剪強度模型打下了堅實的基礎。但是如何通過試驗得到界面在滲流-應力-化學-溫度耦合作用下宏觀剪切參數以及微觀結構參數的變化規律，并且量化界面過渡區的厚度及其相應的孔隙結構微觀參數(孔隙度、孔徑分布、彎曲度等)和微觀力學參數(彈性模量、硬度等)，以及建立界面抗剪強度劣化模型還有待進一步研究。

4 研究展望

盡管巖石與混凝土在復雜環境因素作用下的劣化是一個緩慢的過程，但這種緩慢的劣化效應會從材料的表面結構以及初始缺陷位置(界面過渡區)深入到物體內部，使界面兩側基質礦物成分、微觀結構以及力學性能發生不可逆的變化，最終引起不良的工程效應。巖石-混凝土二元體結構在高溫變溫、凍融循環以及荷載作用下引起的材料劣化研究已經取得了較多成果，但滲透溶蝕作用下的混凝土-巖石抗剪強度劣化問題仍需進一步開展研究：

a.滲透溶蝕作用下界面抗剪強度劣化機理。開發界面滲透溶蝕技術，采用宏觀和細微觀方法，研究界面物相、滲透溶蝕速率和細微觀結構演變規律，揭示界面的滲透溶蝕劣化機理。

b.界面抗剪強度劣化模型。基于界面滲透溶蝕宏觀和細微觀試驗結果，提出界面孔隙率、傳遞特性和抗剪強度演化模型，并開發相應分析程序。

c.溶蝕劣化的界面損傷開裂-裂縫擴展研究。開展不同滲透溶蝕程度的巖石-混凝土試件直剪試驗，研究滲透溶蝕過程中界面損傷閾值和裂縫尖端強度因子演變規律，并提出相應判斷準則。