界面过渡区对混凝土性能的影响及其改善措施

水泥江晨晖吴星春胡丹霞 2014-05-12

本文从混凝土界面过渡区的微观结构和形成机理出发，较全面地分析了影响界面过渡区强度的诸因素和过渡区对混凝土力学性能的影响，并在此基础上提出了改善过渡区结构和性能的有效措施。

摘要：本文从混凝土界面过渡区的微观结构和形成机理出发，较全面地分析了影响界面过渡区强度的诸因素和过渡区对混凝土力学性能的影响，并在此基础上提出了改善过渡区结构和性能的有效措施。

关键词：界面过渡区;水泥基相;钙矾石;骨料;范德华引力

0 引言

混凝土是由其组成成分水泥、水、细骨料、粗骨料通过适当的搅拌、成型、养护工艺，经过一系列复杂的物理和化学变化而形成的一种人造石材。硬化后的混凝土，可以分为水化水泥基相(水泥石)(hy-drated cement paste)、分散粒子(aggregate)和界面过渡区(transition zone between cement paste and aggregate)3个构成要素。混凝土作为一种典型的水泥基复合材料，其结构和性能不是其组成成分的简单叠加。从国内外的研究现状来看，关于水化水泥基相的研究比较全面深入，所形成的理论也比较成熟;分散粒子由于其自身性质单一稳定，对混凝土性能的影响相对较小;而界面过渡层因其组成成分和水泥水化物相同，故研究者常常忽略对其进行专门的研究。事实上，之所以把界面过渡区作为混凝土的一种独立要素，说明其结构和性能与非过渡区水泥水化物存在较大的差异，有必要对其进行单独的分析和研究。许多关于混凝土性能方面的现象难以从其他方面寻求解答，却能通过对界面过渡区的分析而得到解释。诸如在相同水胶比、相同水化时间的前提下，水泥砂浆的强度比混凝土要高;随着粗骨料粒径的增大，混凝土的强度降低，在遭遇火灾时，混凝土弹性模量比抗压强度降低要快;混凝土的抗拉强度比抗压强度小一个数量级等等。

1混凝土界面过渡区的微观结构和形成机理

1.1界面过渡区的微观结构

界面过渡层是指硬化水泥浆(水泥基相)和骨料(分散基相)之间的薄层部分，也称为混凝土的第3相。通常，其厚度约为10~50μm，存在于骨料的外围，约占全部水泥浆体的1/3。界面过渡层的特征是富集于界面上定向排列的Ca(OH)₂(以下简写为 CH)粗大结晶。过渡区范围内，接触层与骨料表面处几乎都是定向排列的六方片状CH结晶;中间层分布着CH及粗大钙矾石针状晶体(AFt，AFm)及少量的C-S-H凝胶。图1(a)为高倍电子显微镜下观察到的界面过渡区的CH晶体形态;图1(b)为界面过渡区微观结构示意。

1.2界面过渡区的形成机理

J.C.Maso曾观察过混凝土浇筑后界面过渡区随时间发展的结构特性，综述如下:在新拌混凝土中，粗骨料周围有水膜形成，这是由于离粗骨料表面越近的区域水胶比越大的缘故。然后，由硫酸钙(石膏)、铝酸钙等化合物溶解而产生的钙离子、硫酸根离子、氢氧根离子和铝离子结合而形成针状钙矾石晶体和六方片状氢氧化钙晶体。由于水灰比较高，这些粗骨料界面附近的结晶产物相对粗大从而形成一个比普通水泥基相或砂浆更多孔的结构。平板状的氢氧化钙晶体趋向于形成定向层状排列并附着在骨料表面。最后，随着水化过程的继续，产生的C-S-H凝胶和较细小的钙矾石及CH晶体填充多孔结构中的孔隙，这使得过渡层的密实程度稍有增大。

2 界面过渡层对混凝土性能的影响

2.1 影响界面过渡层强度的因素

混凝土界面过渡层微观结构十分复杂，这意味着影响其强度的因素也很复杂，且各个因素并非独立作用，使得研究非常困难，难以系统化。根据目前的研究现状，在众多影响因素中，以下3点是最主要的:

(1)大体积毛细孔隙的存在

界面过渡区中水化产物与界面处骨料粒系之间的黏结是依靠分子间的范德华引力(Vander Wa alsforce of attraction)。因此，界面过渡区的强度取决于其中所存在孔隙的体积和孔径，孔隙的体积和孔径越大，其强度越低。即使对低水灰比的混凝土而言，其早期界面过渡区中孔隙的体积和孔径都较相应普通砂浆中孔隙为大，相应地，前者的强度要弱(见图2)。然而随龄期增长，界面过渡区的强度变得和砂浆相当甚至大于砂浆，这是因为水泥石的组成成分和骨料之间发生缓慢化学反应而生成新的结晶产物，这些产物既能起到进一步填充界面过渡层中孔隙的作用，又能有效减小过渡层中氢氧化钙的量，从而减弱其对过渡层强度的不利影响。

由于反应速度较为缓慢，其强度的增长只有到后期才表现得比较明显。图2即为龄期对混凝土过渡区材相和普通水泥石强度影响的对比试验结果。从图上容易看出后期过渡区强度提高比普通水泥石为快，这很好地说明了上述理论分析符合试验结果。

(2)氢氧化钙粗大晶体的大量存在

粗大的CH晶体的存在对界面过渡区的强度具有一定的影响。一方面因其层状重叠排列使其比表面积减小，相应范德华分子结合力也较小，从而黏结力也相应减小;另一方面因CH晶体的定向排列使之更倾向于开裂。

(3)微裂纹的出现和存在

微裂纹的出现和存在是导致界面过渡区强度不高的又一重要因素。微裂纹的数量决定于各种不同的参数，其中包括骨料的粒径和级配、水泥用量、水胶比、新拌混凝土的密实程度、养护条件、环境湿度和混凝土的放热过程。例如，以级配差的骨料制作的混凝土拌合物在振捣过程中更倾向于泌水离析，从而在粗骨料周边形成较厚的水膜或水囊。在相同的条件下，骨料的粒径越大，可能形成的水膜的厚度也越大。在这种条件下形成的界面过渡区在承受拉应力时由于骨料和水化水泥石的微应变更容易开裂。

2.2界面过渡层对混凝土性能的影响

普通混凝土的力学性能之所以比其组分(骨料和水泥石)要弱，从微观层面上说，原因就在于界面过渡区的存在，它好比是一条链子中的最薄弱环节。从某种意义上说，过渡区材相的结构决定了混凝土的力学性能，成为混凝土力学性能发展的限制条件。界面过渡区对混凝土力学性能的影响具体表现在以下3个方面:

(1)界面过渡区对混凝土强度的影响

由于过渡区的存在，混凝土的抗压强度比其两个主要组分低得多。原因在于界面过渡区存在原始裂纹，外界并不要施加太高的压力就能使裂纹进一步开展，在压应力为极限强度的40%~70%范围增加时，应变增加比应力增加明显为快，且这种趋势表现得越来越明显。当压应力超过极限强度的70%后，随着应力的增加，水泥石中大孔隙周围产生应力集中，致使水泥石中开始有裂缝出现，随后裂缝逐渐扩展直至与过渡区的裂缝贯通，这一连续贯通的裂缝最终导致混凝土的开裂破坏。相对受压破坏而言，混凝土受拉破坏时，裂缝扩展更快，抗拉强度更低，这也正是混凝土抗拉强度比抗压强度低一个数量级的主要原因。

(2)界面过渡区对混凝土弹性模量(刚度)的影响

混凝土作为一种典型的复合材料，界面过渡区相当于一个桥梁的作用，即使混凝土各组分的刚度再高，还得依靠这一桥梁来传递，桥梁结构越差，则其传递效果也越差。界面过渡区中孔隙和裂缝的大量存在对刚度的传递极为不利，故混凝土弹性模量就比其组分要低。

(3)界面过渡区对混凝土耐久性的影响

界面过渡区的结构特点对混凝土的耐久性也有明显的影响。钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土构件往往由于钢筋锈蚀破坏，钢筋锈蚀的前提条件是水分和空气能渗入混凝土中，因此钢筋锈蚀很大程度上受混凝土抗渗透性能的影响，抗渗性越差，水分和空气渗入就越自由，锈蚀的可能性就越大。钢筋和粗骨料接触面处过渡区中微裂纹的存在致使其抗渗性比相应的水泥石或砂浆差，故钢筋也更容易锈蚀。

3 界面过渡层的强化和改善措施

从界面过渡区的形成机理和结构特点出发，寻求抑制其形成与改善其结构的途径，实际上就是混凝土高性能化的技术关键;混凝土的高性能化是一种综合指标，这其中便包涵着对界面过渡区结构和性能的改善，这二者殊途同归，有着必然的联系。简言之，混凝土高性能化的措施都能改善界面过渡区的结构和性状。

3.1降低水胶比

从前述界面过渡区的形成机理可知，骨料表面附近区域水胶比高是过渡区薄弱的一个重要原因。混凝土的水胶比越低，界面处水胶比就越低，孔隙率也越低。而且水胶比的降低提高了硬化水泥石的强度和弹性模量，使水泥石和骨料间弹性模量的差异减小，从而使界面处水膜厚度减小，晶体生长的自由空间减小。大量相关试验证明，降低水胶比是抑制界面过渡层形成和改善其结构的有效途径。

3.2 掺加矿物超细粉和高效外加剂

掺入到混凝土拌合物中的矿物掺合料(如SF，FA等)能迅速与水泥水化生成的CH作用，生成C-S-H和钙矾石，消耗CH的同时产生更多对强度有贡献的产物(如C-S-H)，而且这一反应过程能干扰水化物的结晶。与此同时，未参与反应的细微矿物颗粒对界面处孔隙具有极好的微填充作用。这些因素都有利于界面过渡区结构的优化和改善。

K.H.Khagat和P.C.Aitcin等人以15%的SF(硅粉)等量取代水泥后，水胶比为0.33的混凝土界面过渡区孔隙率及原生CH结晶含量明显降低，如图3模型所示。模型图中(a)、(b)为未掺加SF的混凝土硬化前后界面连接处的情形;(c)、(d)为掺加SF的混凝土硬化前后界面连接处的情形。(a)中粗骨料表面周围形成水囊，而界面连接处水泥微粒也不充足;(b)中所示过渡区存在着大量的CH晶体和孔隙，还有一些针状物填充其间。(c)中SF微粒填充于粗骨料周围的空间，而不是为水所占据;(d)中过渡区中CH晶体和孔隙都明显减少。这个对比试验的结果充分证明了掺加矿物超细粉对改善混凝土界面过渡区的作用。

掺入高效外加剂(如高效减水剂)后，混凝土界面处CH晶体的取向程度大大降低，取向范围也大大减小。这意味着过渡层厚度减小，不利界面效应也降低，过渡层更趋于均衡。

3.3选用性质优良的骨料

不同性质的骨料制作的混凝土界面过渡区会有不同的性质。采用性质优良的骨料对混凝土界面过渡区结构和性能的改善也有重要意义。如果骨料吸水，则可以降低骨料周围浆体的水胶比，并因此而减小界面的不利因素。例如采用陶粒作为粗骨料制作的混凝土强度可以远高于陶粒本身的强度，就是利用了陶粒吸水的原理。有水硬活性或潜在水硬活性的骨料可在界面处参与水化反应而改善界面。如选择适当的水泥熟料球作为混凝土的粗骨料等等。

3.4 改善混凝土制作工艺

混凝土的搅拌、成型和养护等工艺过程均可影响界面的结构和性质。例如，常规搅拌投料顺序为:如将这种顺序改为:可以较好地改善界面过渡区的结构和性能，从而改善混凝土的性能。

4结语

混凝土作为一种典型的复合材料，其结构和性能并非其各组分结构和性能的线性叠加。混凝土中存在的水泥石与骨料之间的过渡区域---界面过渡层，是材料复合后的一种缺陷。从某种意义上说，界面过渡层的性状决定着混凝土这一复合材料的性能。探讨界面过渡区的结构和性能对混凝土结构和性能的改善具有极其重要的意义。本文从界面过渡区的微观结构和形成机理出发，较全面地分析了影响界面过渡区强度的诸因素和过渡区对混凝土主要力学性能的影响，在此基础上提出了改善过渡区结构和性能的有效措施，并得出混凝土高性能化措施同时也是改善过渡区结构和性能措施的结论。

参考文献(略)

编辑：王欣欣

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