界面过渡区对混凝土性能的影响及其改善措施

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) ( h y - d r a t e dc e me n t p a s t e )、 分散粒子( a g g r e g a t e )和界 面过渡区(t r a n s i t i o nz o n eb e t we e nc e me n t p a s t e a n da g g r e g a t e)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1 0 5 0 m, 存在于骨料的外 界面过渡区 对混凝土性能的影响及其改善措施 T r a n s t i o nz o n esi n f l u e n c e so nb e h a v i o r o f c o n c r e t ea n dI t sme a s u r e so f i mp r o v e me n t 江晨晖 1 吴星春 2 胡丹霞 2 ( 1 .浙江工业大学,浙江 杭州3 1 0 0 1 4;2 .深圳茂华装饰工程有限公司, 浙江 杭州3 1 0 0 0 6 ) 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 A b s t r a c t : T h i s p a p e r p r o c e e d s f r o mm i c r o s t r u c t u r ea n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t r a n s i t i o nz o n eo f c o n c r e t e,h a s a n a l y z e df a c t o r s t h a t i m p a c t s o ns t r e n g t ho f t r a n s i t i o nz o n ea n di t s i n f l u e n c e s o nm a i nm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f c o n c r e t e . Mo r e o v e r,o nt h i s b a s i s,h a s p u t f o r w a r da s e r i e s o f v a l i dm e a s u r e s o f i m p r o v i n gs t r u c t u r ea n dp e r f o r - m a n c e o f t r a n s i t i o nz o n e . K e yw o r d s : t r a n s i t i o nz o n e ; h y d r a t e dc e m e n t p a s t e ; e t t r i n g i t e;a g g r e g a t e;V a n d e r Wa a l s f o r c e o f a t t r a c t i o n 中图分类号:T U 5 2 8文献标识码:A 文章编号:1 0 0 3 - 8 9 6 5(2 0 0 6)0 2 - 0 0 2 7 - 0 4 水泥与混凝土 2 7 图2龄期对过渡区黏结强度和水泥浆体强度的影响 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C a ( O H ) 2( 以下简写为 C H )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C H结晶; 中间层 分布着C H及粗大钙矾石针状晶体( A F t,A F m)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C H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 . Ma s o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C H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( V a n d e r Wa a l sf o r c eo f a t t r a c t i o n )。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。 图1混凝土界面过渡区高倍显微图( a )和模型结构图( b ) 水泥与混凝土 龄期( 对数坐标) (d) 弯曲模量(l g / i n 2 ) 2 8 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C H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C H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4 0 % 7 0 %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 7 0 %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 水泥与混凝土 2 9 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S F, F A等)能迅速与水泥水化生成的C H作用,生成 C - S - H和钙矾石,消耗C H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 . K h a g a t和P . C . A i t c i n等人以1 5 %的S F (硅粉)等量取代水泥后, 水胶比为0 . 3 3的混凝土界 面过渡区孔隙率及原生C H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S F的混 凝土硬化前后界面连接处的情形;( c )、( d )为掺加S F 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 C H晶体和孔 隙, 还有一些针状物填充其间。( c )中S F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C H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C H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