ITZ形成機(jī)制及其對(duì)混凝土力學(xué)性能與傳輸性能的影響①

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(1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境材料研究所，上海 201804)

引言

混凝土是由水泥、水、細(xì)集料、粗集料以及其他成分通過(guò)適當(dāng)?shù)臄嚢琛⒊尚?、養(yǎng)護(hù)工藝，經(jīng)過(guò)一系列的物理和化學(xué)變化而形成的一種人造石材。硬化后的混凝土可以分為水泥水化基相、集料和界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)3個(gè)要素。

1956年，F(xiàn)arran J[1]首次發(fā)現(xiàn)在混凝土集料與漿體之間存在礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)均不同于漿體的特殊區(qū)域——ITZ。在隨后的約20年內(nèi)，一系列的學(xué)者證實(shí)了ITZ的存在[2]。ITZ的典型厚度為20～100 μm[3]，是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)[4]。與水泥石相比，普通水泥混凝土界面具有水灰比高、孔隙率大、Ca/Si大、氫氧化鈣(CH)晶體取向生長(zhǎng)并在集料表面附近富集，且結(jié)晶顆粒尺寸較大等特點(diǎn)[5]。ITZ的結(jié)構(gòu)與性能在很大程度上制約了水泥混凝土整體的性能，裂縫容易從ITZ處產(chǎn)生和擴(kuò)展，使ITZ成為離子遷移和溶液滲透的快速通道，從而影響混凝土的壽命。對(duì)于水工混凝土，在水壓的作用下，這種ITZ效應(yīng)表現(xiàn)得更為突出。此外，處于水、氣、固三相交界處的裂紋更容易引發(fā)碳化等一系列耐久性問(wèn)題。因此，要想提高混凝土材料的耐久性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物及構(gòu)件的使用壽命，必須從混凝土的薄弱環(huán)節(jié)——ITZ的改善出發(fā)。

1 界面過(guò)渡區(qū)的形成機(jī)制

在實(shí)際混凝土中，ITZ并非是一個(gè)易于辨別的部分，而是不同組分和結(jié)構(gòu)都存在梯度變化的區(qū)域?；谕臄U(kuò)展方法，圖1劃分了10個(gè)5 μm寬的條帶，根據(jù)各條帶的成分差別，可以確定ITZ的厚度[6]，圖2為ITZ微觀結(jié)構(gòu)組成示意圖[7]。ITZ形成的因素復(fù)雜，且在不同集料和相同集料的不同區(qū)域之間都存在差異。根據(jù)混凝土的成型、水化和硬化過(guò)程，可將ITZ的形成機(jī)制大致歸為：?jiǎn)芜吷L(zhǎng)效應(yīng)(one-side growth of hydrated products)；“邊界”效應(yīng)(wall effect)；微區(qū)泌水效應(yīng)(micro bleeding)；絮凝作用(flocculation)；離子的遷移與沉積及成核作用(transportation，precipitation and nucleation of ions)和漿體的收縮作用(syneresis)等。

圖1 基于同心擴(kuò)展方法劃分的10個(gè)5 μm寬的條帶[6]

1.1 單邊生長(zhǎng)效應(yīng)

集料與水泥漿體之間的結(jié)合作用有物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合和范德華力結(jié)合。在混凝土中，若集料不具備活性，則僅有膠凝材料的水化反應(yīng)對(duì)集料表面附近區(qū)域的孔隙能夠起到填充作用，而集料沒(méi)有貢獻(xiàn)，這種效應(yīng)稱為單邊生長(zhǎng)效應(yīng)[8]。根據(jù)該效應(yīng)可對(duì)集料進(jìn)行改性，改性后的集料包覆層可以作為過(guò)渡層，連接集料與水泥漿體，使集料和膠凝材料在水化過(guò)程中都能夠發(fā)生化學(xué)作用，從而加強(qiáng)兩相之間的鍵能結(jié)合，優(yōu)化集料與水泥漿體之間的結(jié)合[9]

圖2 混凝土界面過(guò)渡區(qū)的微觀示意圖[7]

。

1.2 “邊界”效應(yīng)

混凝土可以看作是不規(guī)則的集料顆粒和水泥漿體以隨機(jī)的形式堆積而成。根據(jù)“邊界”效應(yīng)，在混凝土澆筑過(guò)程中，集料附近的無(wú)水顆粒在空間組合上會(huì)比其他區(qū)域更加松散，集料表面附近區(qū)域的小尺度膠凝粒子的濃度比基體部分的高，而大尺度粒子的濃度比基體部分的低[10]，使新拌混凝土的孔隙率和水灰比從集料內(nèi)部到表面逐漸增加，從而產(chǎn)生了與混凝土性質(zhì)不同的區(qū)域——ITZ。在成型后、硬化前的階段內(nèi)，混凝土?xí)a(chǎn)生微小的蠕變，使集料附近的水分子數(shù)量增加，新拌和混凝土的集料周圍形成的水和未水化的水泥顆粒會(huì)產(chǎn)生濃度梯度，即混凝土任一單元體的性質(zhì)如強(qiáng)度、變形、吸水率和收縮等，都隨其距集料表面距離有所不同[11]。此外，混凝土試件在成型過(guò)程中，模板附近聚集的集料以及粉體等也會(huì)產(chǎn)生“邊界”效應(yīng)。

在混凝土中摻硅灰、粉煤灰、礦渣等輔助性膠凝材料，可以降低混凝土的“邊界”效應(yīng)，改善ITZ的微結(jié)構(gòu)[12-15]，使整個(gè)膠凝體系更加密實(shí)均勻。硅灰、粉煤灰、礦渣具有填塞作用[16]，起到了支撐整體微結(jié)構(gòu)骨架和細(xì)化孔隙的雙重效果，隔斷了各種有害介質(zhì)侵蝕的傳輸通道[17]，能有效地改善水泥石受力時(shí)的應(yīng)力分布狀況，提高了混凝土的性能。輕骨料混凝土的掃描電鏡照片也表明[18]：同時(shí)摻入粉煤灰和磨細(xì)礦渣后，水泥石中火山灰反應(yīng)更加充分，改善了膠凝相的組成，CH含量減少，取向度和取向范圍降低，生成了強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好的低堿度水化硅酸鈣，使“邊界”效應(yīng)降低，水泥石與集料之間的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)得到改善。

1.3 微區(qū)泌水效應(yīng)

微區(qū)泌水主要是指水分在集料表面附近區(qū)域的富集。在重力的作用下，由于水、膠凝材料以及集料之間的密度差別，水會(huì)向上遷移，而膠凝材料則往下遷移，在沉降過(guò)程中大粒徑集料下方區(qū)域更易形成水囊，使得局部水灰比變大，導(dǎo)致集料下方的ITZ更加薄弱[10]。大量的泌水會(huì)降低基體與集料表面之間的鍵合力，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生重要影響。

根據(jù)微區(qū)泌水效應(yīng)，膠凝材料與粗、細(xì)集料的級(jí)配不良，粗集料的粒形比較差，整個(gè)材料體系的配合比(如用水量和外加劑摻量)不當(dāng)?shù)?，都將?dǎo)致混凝土的和易性變差，且大尺寸集料下方的ITZ孔隙率更高、未水化水泥顆粒含量更低，故水分易向集料下部及其周邊甚至整個(gè)材料體系的外表面遷移。因此，鋼筋或者集料下部的ITZ的彈性模量、強(qiáng)度及硬度均比鋼筋或集料上部顯著降低[19-20]。在大壩混凝土中，大粒徑骨料的大量使用，使得不同料尺寸下微區(qū)泌水的研究顯得尤為重要[21]。當(dāng)水灰比較大時(shí)，在混凝土中加入纖維，纖維附近則會(huì)產(chǎn)生泌水孔隙，產(chǎn)生微區(qū)泌水效應(yīng)，使纖維附近產(chǎn)生泌水孔隙，導(dǎo)致混凝土硬度下降[22]。此外，在成型過(guò)程中如果振動(dòng)密實(shí)方法和工藝不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生微區(qū)泌水效應(yīng)。

1.4 絮凝作用

當(dāng)粒子尺寸小到一定程度的時(shí)候，在拌和過(guò)程中，由于粒子之間接觸更加充分，表面的電荷量會(huì)相互抵消，降低了ζ電位及雙電層的厚度，使微粒間的斥力下降，從而使微粒的物理穩(wěn)定性下降，微粒聚集成絮狀，形成疏松的纖維狀結(jié)構(gòu)。

1.5 離子的遷移與沉積及成核作用

1.6 漿體的收縮

在早期水化過(guò)程中，當(dāng)漿體的離子濃度超過(guò)臨界濃度時(shí)，粒子之間由于靜電引力和范德華力的共同作用，會(huì)快速絮凝成團(tuán)。為了盡可能降低勢(shì)能，絮凝團(tuán)會(huì)產(chǎn)生收縮(反應(yīng)式如(1)式所示)，包裹在其間的水分就會(huì)被排出到自由空間中，從而在集料表面形成了水膜層[23-24]。從漿體的組成和結(jié)構(gòu)來(lái)看，收縮變形主要是多孔的膠結(jié)相，即C-S-H凝膠相的收縮，收縮動(dòng)力的主要來(lái)源是孔中可蒸發(fā)水的遷移[25-26]。隨著水分不斷地被排出，ITZ的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

-Si-OH+HO-Si→-Si-O-Si+H2O

(1)

綜合以上各種效應(yīng)和作用可知：ITZ的形成是由于漿體與集料性能存在較大差別，兩者難以完全結(jié)合，致使其成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié)。因此，可以采取一系列的措施，增強(qiáng)集料與漿體之間的結(jié)合能，使ITZ效應(yīng)降低，從而改善ITZ對(duì)混凝土性能的影響。

2 ITZ對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由于ITZ的尺寸較小，對(duì)ITZ性能試驗(yàn)的設(shè)備和測(cè)量方法的要求較高，要得到該區(qū)域的完整而準(zhǔn)確的力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是比較困難的[27]。目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，文獻(xiàn)中各自的試驗(yàn)條件和試件加工情況都不統(tǒng)一，因此試驗(yàn)結(jié)果也不完全一致，亟待深入探究其對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響。

2.1 ITZ對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

在ITZ區(qū)域內(nèi)，混凝土的孔隙率較大且存在原始微裂紋，施加較小的壓力就會(huì)使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)壓應(yīng)力為極限強(qiáng)度的40%～70%時(shí)，隨著壓應(yīng)力的增加，應(yīng)變?cè)黾拥乃俾拭黠@比應(yīng)力增加速率高，且趨勢(shì)越來(lái)越明顯。當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度的70%后，水泥石中的大孔隙周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，開(kāi)始有裂縫出現(xiàn)。隨著應(yīng)力繼續(xù)增加，裂縫逐漸擴(kuò)展直至與ITZ的裂縫貫通，最終導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞[28]。此外，相對(duì)于受壓破壞而言，混凝土受拉破壞時(shí)，裂縫擴(kuò)展更快，抗拉強(qiáng)度更低[28]。K?nigsberger M等[29]總結(jié)了混凝土在單軸抗拉和抗壓情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，如圖3所示。

研究人員采用各種方法研究了ITZ對(duì)材料強(qiáng)度的影響。集料和ITZ真實(shí)形狀與分布的混凝土數(shù)值模型揭示了ITZ的抗拉強(qiáng)度與混凝土抗拉強(qiáng)度存在非線性關(guān)系[30]。混凝土單軸拉壓下的開(kāi)裂過(guò)程的結(jié)果模擬也表明[31]：混凝土的極限承載能力隨著ITZ強(qiáng)度的提高而逐漸提高，且ITZ的粘聚力對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的塑性段有一定的影響，粘聚力越大，屈服段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

圖3 混凝土在單軸抗拉或抗壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

厚度在一定程度上會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。鋼渣替代普通碎石后，ITZ的厚度從50 μm降至40 μm，形成了較強(qiáng)的界面粘結(jié)力，使配制的鋼渣粗骨料混凝土整體強(qiáng)度較高[32]。但是混凝土的厚度會(huì)受到集料性質(zhì)的影響。采用計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，大多學(xué)者常采用橢圓形表征混凝土中集料的形狀。當(dāng)橢圓形集料形狀因子的長(zhǎng)徑比增大時(shí)，集料固相體積分?jǐn)?shù)的最高峰值和界面層厚度減小；當(dāng)橢圓形集料的尺寸表征參數(shù)長(zhǎng)軸和等效直徑增大時(shí)，最高峰值對(duì)應(yīng)的距離和界面層厚度隨長(zhǎng)軸和等效直徑的增大呈線性增長(zhǎng)[33]。相同條件下，邊界層厚度與最大集料直徑近似呈線性關(guān)系，與集料長(zhǎng)細(xì)比則近似呈二次曲線關(guān)系[34]。而Kreijger P C[35]卻得出不同結(jié)論，認(rèn)為界面層厚度可能與混凝土邊界附近分布的很多粒徑很小的集料有關(guān)。對(duì)于邊界效應(yīng)層中粗集料的研究結(jié)果也表明[36]：邊界效應(yīng)層內(nèi)混凝土的粗集料體積分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)較少；集料體積分?jǐn)?shù)分布曲線可簡(jiǎn)化為上升和水平2段，且集料最大粒徑對(duì)邊界效應(yīng)層厚度的影響并不明顯。對(duì)于級(jí)配良好的集料，其最小粒徑?jīng)Q定邊界效應(yīng)層厚度。

集料的施工工藝不同，ITZ對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的影響也有所差別。采用拋填集料工藝制備混凝土，并通過(guò)SEM觀察該混凝土的ITZ，發(fā)現(xiàn)拋填集料與水泥石的界面粘結(jié)比普通混凝土中的集料/水泥石界面粘結(jié)要緊密，且拋入碎石后混凝土的強(qiáng)度不但沒(méi)有降低，反而隨著集料對(duì)混凝土的置換率(體積分?jǐn)?shù)從10%～30%)的增加而有一定增加[37]。對(duì)再生骨料的界面過(guò)渡區(qū)的研究也表明，采用兩階段混合的方法(即先將粗集料與水泥漿體混合，再加入細(xì)集料)能夠通過(guò)減少孔隙和CH的體積分?jǐn)?shù)從而提高新老界面過(guò)渡區(qū)的性能，最終達(dá)到提高混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能的目的[38]。此外，外加劑的摻量對(duì)ITZ的抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)也有較大的影響。摻入高效外加劑(如高效減水劑)后，會(huì)使ITZ處CH晶體的取向程度大大降低，取向范圍大大減小，降低不利的界面效應(yīng)，使過(guò)渡層更趨于均衡[28]。Demie S等[39]用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，并研究了ITZ的微觀結(jié)構(gòu)與摻減水劑的粉煤灰基自密實(shí)地聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)減水劑摻量低的混凝土ITZ相對(duì)疏松多孔，強(qiáng)度較低；而高摻量的ITZ則較為致密，混凝土的抗壓強(qiáng)度較高。

2.2 ITZ對(duì)混凝土斷裂力學(xué)性能的影響

混凝土的斷裂是由于新裂紋萌發(fā)或已存裂紋的擴(kuò)展而引起的一個(gè)破壞過(guò)程。大量的研究表明，集料的性質(zhì)和水灰比對(duì)混凝土的斷裂力學(xué)性能有較大的影響?；炷恋膿p傷與斷裂過(guò)程一般與其中含有的微裂紋有關(guān)，W/C對(duì)混凝土的斷裂性能的影響主要體現(xiàn)在ITZ周圍裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展以及對(duì)基體和ITZ強(qiáng)度的影響?；炷恋臄嗔涯茈S著水灰比的減小而增加[40]，當(dāng)W/C較高時(shí)，ITZ效應(yīng)易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生；而W/C較低時(shí)，ITZ效應(yīng)易使裂縫擴(kuò)展[41]。集料對(duì)斷裂性能的影響主要表現(xiàn)為粗集料性質(zhì)的影響。采用導(dǎo)熱性能模擬混凝土的裂縫行為的研究表明：ITZ會(huì)使混凝土產(chǎn)生開(kāi)口裂縫，且隨著集料的體積分?jǐn)?shù)的增加，這些開(kāi)口裂縫的連通性增加[6]。而且產(chǎn)生裂縫的應(yīng)力隨著粗集料尺寸的增加而降低[41]。對(duì)自密實(shí)混凝土的研究也表明：當(dāng)保持W/C恒定時(shí)，斷裂韌性隨著粗集料最大粒徑的降低而增加[42]，隨著粗骨料的體積分?jǐn)?shù)增加而增加[43]。Erdema S等[44]的研究也表明：界面的孔隙率以及集料的性質(zhì)(包括表面粗糙度、表面構(gòu)造和顆粒的形狀等)，在高速?zèng)_擊荷載下均對(duì)混凝土的斷裂形貌具有顯著的影響，因此必須根據(jù)混凝土的性能要求合理選擇適合的集料。此外，混凝土斷裂能也隨著齡期的增加而增加。在水化早期，ITZ和漿體中含有較多的未水化的水泥顆粒，使ITZ和漿體部分含有較大的孔隙率。隨著水化的進(jìn)行，未水化的水泥顆粒逐漸水化，填充孔隙，最終使ITZ區(qū)域和水泥石強(qiáng)度增加，使混凝土斷裂能提高[40]。

2.3 ITZ對(duì)混凝土彈性模量(剛度)的影響

目前，ITZ的彈性模量還很難直接測(cè)量，需要借助于一系列的模型和假設(shè)。采用非線性本構(gòu)模型模擬混凝土界面在單軸受拉時(shí)的開(kāi)裂過(guò)程的結(jié)果表明[24]：隨著界面軟化模量的增大，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的下降趨勢(shì)逐漸變陡，但下降段對(duì)軟化模量的變化不是太敏感；納米壓痕法研究再生混凝土的彈性模量的結(jié)果表明[45-46]：新老ITZ的平均彈性模量分別為新老砂漿的平均彈性模量的80%和85%。然而在假定ITZ為均勻相的條件下，采用有效介質(zhì)方程計(jì)算卻得出了不同的試驗(yàn)結(jié)果[47]：當(dāng)ITZ的厚度在20～50 μm之間時(shí)，混凝土中砂漿與粗集料之間的彈性模量?jī)H為砂漿的1/5～1/3，而對(duì)于砂漿而言，ITZ的彈性模量不足基質(zhì)凈漿彈性模量的1/2。界面軸拉試驗(yàn)和對(duì)等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究表明[19]：“含界面試件”的彈性模量約為砂漿彈性模量的1/2。Yang C C[48]則采用Double Inclusion方法與Moritanaka理論，結(jié)合三相模型預(yù)測(cè)了ITZ的平均彈性模量，結(jié)果表明：當(dāng)界面厚度為20 μm時(shí)，ITZ的彈性模量為基體彈性模量的20%～40%；當(dāng)界面厚度為40 μm時(shí)，ITZ的平均彈性模量為基體彈性模量的50%～70%。由于試驗(yàn)技術(shù)和模型等的差別，數(shù)據(jù)并不完全一致，但它們均說(shuō)明了界面過(guò)渡區(qū)性能與基體有較大差別。

混凝土細(xì)觀各相單元的抗拉強(qiáng)度和彈性模量是遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)參數(shù)。通過(guò)對(duì)三分點(diǎn)梁跨中界面單元材料參數(shù)的變異性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明[49]：混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的不均勻性對(duì)動(dòng)彎拉強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，即混凝土材料離散性越大，強(qiáng)度增長(zhǎng)系數(shù)越高。朱亞超等[50]對(duì)砂漿-集料復(fù)合試件進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果和改進(jìn)的積分計(jì)算方法，提出了砂漿-集料界面的拉伸軟化曲線模型及其表達(dá)式，并總結(jié)了砂漿-集料界面I型拉伸的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式為：

(2)

式中：E為割線彈性模量，由抗拉強(qiáng)度和最大拉應(yīng)力下的開(kāi)裂寬度的比值e得到。

因此，組成材料各參量的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)混凝土宏觀特性的影響也是不可忽略的。

綜合ITZ對(duì)混凝土強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、彈性模量的影響可知，微裂紋的存在是混凝土的力學(xué)性能低于基體的主要原因。選取適宜的集料、級(jí)配、W/C，降低界面的孔隙率等，都能夠改善界面過(guò)渡區(qū)微裂紋結(jié)構(gòu)，從而降低ITZ對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

3 ITZ對(duì)混凝土的傳輸性能的影響

ITZ的水灰比和孔隙率均高于基體部分，是混凝土傳輸性能的薄弱環(huán)節(jié)。壓汞法的測(cè)試結(jié)果表明：混凝土中水泥的孔分布和純水泥漿體之間存在較大的差別[51]，這種差別很大程度源于混凝土的ITZ。試驗(yàn)表明[52]，ITZ的孔隙率是水泥漿體的10倍左右。對(duì)輕集料混凝土界面過(guò)渡區(qū)的研究也顯示[7]：在ITZ處，水泥漿體通過(guò)輕集料表面的孔隙滲入其中，滲入深度大約為50 μm。較高的孔隙率易使有害物質(zhì)(如Cl-、CO2等)進(jìn)入混凝土，誘導(dǎo)有害化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生[53]。而混凝土又可被認(rèn)為是部分多孔水泥被密實(shí)的集料和孔隙率更高的ITZ替代[54]，故混凝土的抗?jié)B性比相應(yīng)的水泥石或砂漿差。一般情況下，混凝土的滲透率超過(guò)水泥石1.5倍左右[55]，其中ITZ的有效擴(kuò)散系數(shù)是硬化漿體的6～12倍[56-57]。因此，ITZ的性能對(duì)混凝土的抗?jié)B性以及長(zhǎng)期耐久性起決定性作用。

一般來(lái)講，當(dāng)集料含量低時(shí)，具有較高的孔隙率和較大孔徑尺寸的ITZ之間會(huì)被基體相互隔離；當(dāng)集料含量增加至一定值時(shí)，ITZ之間相互靠近并最終連通，并且貫穿于整個(gè)體系中，顯著提高材料的傳輸性質(zhì)[58]。為計(jì)算ITZ氣體滲透系數(shù)及其對(duì)體系整體性質(zhì)的影響，文獻(xiàn)[59]基于B-H關(guān)系并結(jié)合ITZ的影響和基體的致密，提出了一個(gè)近似關(guān)系模型：

Ka=αk0ev(h)3/2+KITZ,IVITZ

(3)

式中：Ka為相應(yīng)集料體積摻量下體系的氣體滲透系數(shù)；α為引入的基體致密系數(shù)，其大小與集料的體積摻量相關(guān)，當(dāng)Vagg=0時(shí)，α=1；k0為硬化凈漿試樣測(cè)得的氣體滲透系數(shù)；ev(h)為基體體積含量；VITZ為ITZ的體積含量；KITZ,I為ITZ氣體滲透系數(shù)。

在混凝土中，由于集料本身密實(shí)性好，可以阻止氯化物的滲透；然而ITZ具有較高的孔隙率，又將有助于氯化物的滲透[60]。因此，在粗骨料背后區(qū)域的氯離子濃度比在周圍砂漿基體的區(qū)域低得多。Du Xiuli等[61]研究氯離子在混凝土中的傳輸性能發(fā)現(xiàn)：隨著DITZ/Dcp增加，氯離子的傳輸性能增強(qiáng)。Yang C C等[62-63]將與試件等高、具有不同直徑的圓柱形集料埋置于漿體中，以獲得相互連通的ITZ結(jié)構(gòu)。對(duì)模擬試塊進(jìn)行氯離子遷移試驗(yàn)的研究表明：水灰比為0.35、0.45和0.55時(shí)，ITZ的遷移系數(shù)分別為基體的40.6、35.5和47.8倍。對(duì)再生集料混凝土的碳化深度和氯離子滲透的研究也表明[64]：相同水膠比時(shí)，由于再生混凝土的ITZ數(shù)量比普通混凝土多，再生集料混凝土的抗?jié)B透性比普通混凝土的抗?jié)B性差。

針對(duì)ITZ的這一薄弱環(huán)節(jié)，很多學(xué)者采取了一系列的措施，以減少界面過(guò)渡區(qū)對(duì)混凝土傳輸性能的影響。將細(xì)的硫鋁酸鹽水泥顆粒預(yù)先包裹在集料表面，可以降低ITZ的厚度和連通度，以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性[65]。此外，使混凝土的“邊界”效應(yīng)轉(zhuǎn)化為微孔填充效應(yīng)，也可提高ITZ的滲透性能?？?jié)B試驗(yàn)與氯離子滲透試驗(yàn)都表明[38]：復(fù)摻粉煤灰和磨細(xì)礦渣，混凝土的抗?jié)B性能最優(yōu)。Brough A等[66]研究了波特蘭水泥以及堿激發(fā)礦渣水泥與石英砂形成的ITZ，發(fā)現(xiàn)后者的孔隙率較小(抗?jié)B透性較好)。在水玻璃激發(fā)礦渣形成的砂漿中，越靠近ITZ，孔隙率越大。BSE圖像分析顯示，在水玻璃激發(fā)礦渣形成的砂漿ITZ中產(chǎn)生了一種其他的水化產(chǎn)物，使界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度提高。

4 結(jié)語(yǔ)

ITZ對(duì)混凝土的力學(xué)性能有較大的影響，主要體現(xiàn)在ITZ區(qū)域孔隙率較大，是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)?？梢酝ㄟ^(guò)加入輔助性膠凝材料改善界面過(guò)渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)和分布，同時(shí)選取適宜的骨料、W/C等改善ITZ與基體之間的性能差異，從而減少ITZ對(duì)混凝土力學(xué)性能的不利影響。但是，目前對(duì)于ITZ的研究仍然需要借助于模型或者納米壓痕技術(shù)等；在對(duì)界面過(guò)渡區(qū)改性時(shí)，混凝土中本體(除ITZ以外的區(qū)域)的性能也發(fā)生了改變，因而無(wú)法單一地對(duì)混凝土的ITZ的性能進(jìn)行直接測(cè)試。這些都給科研帶來(lái)了困難，也造成了一些因?yàn)槟Ｐ偷倪x取、測(cè)試手段的差異所產(chǎn)生的研究成果的差異。因此，很多方面的工作亟待進(jìn)一步的深入研究和突破。

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