混凝土骨料对界面过渡区的影响与改善评述

１ 引言
随着现代混凝土技术的提高和高强高 性能混凝土的不断研发，混凝土界面过渡 区作为混凝土的一个薄弱环节，引起了众 多 研 究 者 的 关 注 。对 于 界 面 过 渡 区 的 形 成 ， 无论是由于水泥浆体收缩而产生，还是由 于新拌混凝土中各种颗粒沉降的不均匀性 而导致， 都和骨料有着密不可分的关系。因 此，了解骨料对界面过渡区的影响，对改善 界面过渡区，提高混凝土的性能有着重要 意义。
在现代混凝土生产工艺中，活性掺合 料已逐渐成为混凝土必不可少的组分之 一 。通 过 加 入 硅 灰 、粉 煤 灰 等 活 性 掺 合 料 ， 不仅可以改变了过渡区的结构，使混凝土 结构比普通混凝土结构更为密实，同时还 可以减小过渡区的厚度，并且对混凝土的 强度也从负效应向正效应发生转变。
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Ａｌｅｘａｎｄｅｒ等的试验结果显示安山岩与 净浆之间的界面断裂能要比净浆本身的 高， 而白云石与净浆之间的界面断裂韧性 及 断 裂 能 却 比 净 浆 本 身 的 低 。Ｌ ａ ｇ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｄ 等 发现钙质骨料会影响水泥的水化，如方解 石骨料和钙硅石使诱导期变短，而石灰石 会 与 水 泥 水 化 释 放 出 的 Ｃ Ｈ 发 生 反 应 。此 外，骨料的不同种类对氢氧化钙的择优取
［５］ 王嘉．水泥石——石灰石骨料界面过渡 层 结 构 和 性 能 的 研 究 ．硅 酸 盐 学 报 ， １９８７，１５．
［６］ 胡曙光，王发洲，丁庆军．轻集料与水泥 石的界面结构．硅酸盐学报，２００５，３３ （６）：７１３－７１７．
［７］ 常大勇， 赵若鹏．净浆裹骨料工艺增强 机 理 探 讨 ．混 凝 土 ， １ ９ ９ １ ， ４ ： １ １ － １ ８ ．
向 程 度 也 有 着 较 大 的 影 响 。而 英 国 的 Ｗ ｉ ｌ ｌ － ｉ ａ ｍ Ａ ． Ｔ ａ ｎ ｓ ｏ ｎ ｇ 通 过 对 玄 武 石 、石 灰 岩 、石 英岩三种矿物的研究，发现由于使用的骨 料的矿物组成和结构不同，混凝土的粘结 破坏形式也不尽相同。 ２．２ 粗骨料的类型
粗 骨 料 分 碎 石 和 卵 石 两 类 。碎 石 一 般 经机械破碎，具有较为活泼的活性反应表 面，更容易存在化学作用，形成粘结力更好 的物质。而卵石的表面比较光滑， 表面相对 呈 惰 性 。此 外 ， 碎 石 的 表 面 较 为 粗 糙 ， 意 味 着粘结界面较大，有利于增强接触面的粘 结 力 。有 研 究 表 明 骨 料 粗 糙 度 的 增 加 引 起 了更高的界面裂缝形成能量，也就是说骨 料越粗糙，越不易形成界面裂缝，越不利于 裂 缝 的 传 播 。也 有 研 究 ［３］ 表 明 骨 料 表 面 粗 糙 度 对 Ｃ Ｈ 相 的 择 优 取 向 程 度 有 影 响 。另 外 ， 水泥浆离析的水份更容易沿卵石的表面滑 下，蓄于粗骨料下表面，更容易形成界面过 渡区。 ２．３ 粗骨料的大小
假如使用的骨料是多孔材料，那么其 吸水率相对较高，这样有利于减少贴近界 面处水膜的厚度，同时有利于降低界面过 渡 区 的 水 灰 比 。同 时 表 面 处 由 于 水 泥 的 水 化作用，含水量降低时，骨料还可释放出一 部分吸收的水，以利于水化的进行，有利于 增强过渡区的密实度和改善过渡区结构。 胡曙光［６］等在对轻骨料与水泥石的界面结 构进行研究的过程中发现，由于轻骨料表
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日本的Ｍａｓａｏ Ｋｕｒｏｄａ、 河海大学的蒋 林 华 以 及 澳 大 利 亚 的 Ｋａｎｇｅｓｕ Ｖｉｖｅｋａｎａｎｄａｍ 分别对粉煤灰掺入后的过渡 区进行研究，发现通过使用粉煤灰，提高了 界面的粉结强度， 减少了过渡区的厚度。还 发现，当过渡区厚度的增加时，混凝土的抗 压强度也随之增加。同 时， 作为微骨料的粉 煤灰，其化学组成成分对过渡区的粘结强 度 也 有 影 响 。一 般 来 说 ，ＳｉＯ２含 量 高 或 ＣａＯ 含量低的粉煤灰对增强界面粘结力效果更 好 。黄 与 舟 等 采 用 环 境 扫 描 电 子 显 微 镜 观 测混凝土试块的骨料与水泥石界面，认为 掺入粉煤灰后界面性能有一定的改善，而 加入膨胀剂能明显改善界面性能。
①项目来源：广西研究生教育创新计划 （２００８１０５９３０８１４Ｄ０１２）。
面粗糙且为多孔结构，轻骨料与水泥石之 间形成的是机械啮合状结构，在轻骨料中 水分的内养护作用下界面区水泥矿物水化 更为充分，界面区的显微硬度高于水泥石 基体。
３ 改善界面过渡区的措施
由于界面过渡区是混凝土的最薄弱环 节，而骨料对界面过渡区的影响甚大，因 此，可通过对骨料进行一定的处理来达到 改善界面过渡区的目的。 ３ ． １ 改善混凝土制作工艺
粒径小的粗骨料对改善过渡区有好 处，粒径较小的粗骨料不仅具有较大的比 表面积与水泥浆胶结，而且更易于均匀分 散到水泥基材中，使混凝土朝均质化发展。 陈露一［４］等利用显微硬度测试技术研究了 混 凝 土 界 面 过 渡 区 的 不 均 匀 特 性 。结 果 表 明， 单骨料上、下以及侧面等不同界面处显 微硬度值存在较大差别，也就是说骨料本 身 由 于 几 何 形 状 、尺 寸 等 因 素 就 可 以 导 致 混凝土界面过渡区的不均匀，若骨料尺寸 较 小 ， 这 种 不 均 匀 性 的 影 响 相 对 要 小 。此 外，混凝土破坏的一个重要原因是骨料与 水泥浆变形不一致，而裂缝的传播中，粘结 起主要作用。倘若粘结强度足够大的话， 骨 料变形小就能延迟裂纹的传播，而粒径小 的骨料有利于减少变形，阻止裂纹的传播。 粗骨料变小还可避免混凝土在大骨料下表 面 塑 性 收 缩 和 水 泥 浆 体 泌 水 过 于 集 中 。同 时粒径变小后，使上下表面的水膜厚度差 减小，对ＣＨ取向的影响差也减小了［５］。 ２．４ 骨料的多孔性
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。
按 照 传 统 的 混 凝 土 生 产 工 艺 ， 水 泥 、砂 石和水往往是一次性进行混合搅拌，这样 生产出来的混凝土存在水泥组分的分散不 足 、水 化 不 充 分 、界 面 过 渡 区 存 在 明 显 强 度 梯 度 分 布 等 问 题 。这 也 就 造 成 了 裂 缝 容 易 从水泥石和骨料的界面区产生和扩展，导 致工程使用寿命降低和材料的浪费。
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工 程 技 术
混凝土骨料对界面过渡区的影响与改善评述①
许辉 １ 黄莹 ２ （１． 南宁市建筑管理处 广西南宁 ５３００２１； ２．广西大学土木建筑工程学院 广西南宁 ５ ３ ０ ０ ０ ４ ）
摘 要：混凝土界面过渡区是影响混凝土强度的一个重要因素，本文着重从混凝土骨料对界面过渡区的影响出发，探讨影响界面过渡区粘 结强度、结构的因素， 并提出相应的改善措施。 关键词： 骨料 界面过渡区 中图分类号：ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０７（ａ）－００６０－０２
骨料的岩石种类不同，其矿物成分也 不尽相同，这样就导致骨料与分散相的化 学作用也不同。大致可分为两种作用： 一是 离子键作用， 另一种为共价键作用。所谓离 子键作用就是骨料中的矿物粒子以离子键 结合，在水泥浆环境（碱性）条件下容易发生 化 学“ 断 键 ”， 形 成 Ｃ Ｓ Ｈ 、Ｃ Ｈ 等 水 化 产 物 的 共 存 相 。这 无 疑 对 过 渡 区 结 构 有 增 强 作 用 。 因而以这类矿物为骨料时，有较为牢固的 化学过渡胶结层，过渡区的结构也较为致 密一些， 对混凝土的增强效果较好。相对而 言，共价键作用就是骨料中的矿物粒子以 共价键结合，在水泥浆介质条件下不易发 生 化 学“ 断 键 ”， 因 而 其 表 面 与 水 泥 浆 体 不 能形成化学成分上连续过渡的界面区，而 主要靠接触面的机械作用粘结，结合力较 弱 。
２ 骨料对界面过渡区的影响因素
目前对混凝土的过渡区，许多学者提 出了不同的模型，像美国Ｂａｒｅｎｓ－Ｄｉａｍｍｄ模 型 、法 国 的 Ｏ ｌ ｌ ｉ ｖ ｉ ｅ ｒ － Ｇ ｒ ａ ｎ ｄ ｅ ｔ 模 型 、德 国 的 Ｚｉｍｂｅｌｍａｎ模型、Ｍｏｎｔｅｉｒｏ模型、ｄｅ Ｒｏｏｉｊ的 概 念 模 型 和 我 国 的 解 松 善 模 型 、凌 志 达 模 型 、李 绍 政 模 型 等 。不 同 的 模 型 的 主 要 区 别 在于对其水化产物的描述有所不同，而这 就 与 所 采 用 的 水 泥 和 骨 料 有 关 。有 研 究 表 明骨料作用是造成界面区结构薄弱十分重 要的原因，过渡区的厚度和密实度与骨料 有 着 密 切 关 系 ［１－２］。总 体 来 说 ， 骨 料 对 界 面 过 渡区的影响主要来源于以下几个方面。 ２．１ 骨料的岩石种类
依据Ｍａｓｏ的界面过渡区形成假设，改 变混凝土制作工艺，也就是按照一定的顺 序和物量将混凝土的组成材料分次加入， 再进行搅拌，这样可以减少界面过渡区的 形成或者改善界面过渡区的结构，从而提 高 混 凝 土 材 料 的 利 用 率 。比 如 净 浆 裹 骨 料 工艺［７］，也就是先将水泥制成低水灰比的净 浆，然后与骨料一起搅拌，最后加水至所需 水 灰 比 ， 搅 匀 。通 过 净 浆 裹 骨 料 ， 一 方 面 在 骨料的附近生成了一部分水化物，净浆中 的水泥颗粒和已有的水化产物阻止了自由 水与骨料表面的直接接触，干扰了ＣＨ在骨 料 表 面 的 析 晶 。另 一 方 面 增 加 了 界 面 附 近 水泥颗粒的浓度，也增加了水化生成的 Ｃ Ｓ Ｈ 凝 胶 的 数 量 。Ｃ Ｓ Ｈ 凝 胶 不 仅 有 利 于 过 渡 区 强 度 的 提 高 ， 还 打 乱 了 Ｃ Ｈ 的 取 向 。此 外，袁民［８］通过试验研究认为先搅拌水泥 浆或水泥砂浆再进行混凝土搅拌的多步投 料搅拌工艺可以平衡混凝土界面过渡区强 度梯度，提高混凝土强度。 ３．２ 选择性能优良的骨料进行生产［９］