水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第8卷第1期 建筑材料学报 Vo1.8.No.1 2005年2月 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Feb..2005 文章编号:1007—9629(2005)01—0051—12 水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响 陈惠苏 , 孙 伟 , Stroeven Piet (1.东南大学材料科学与工程系,江苏南京210096; 2.Faculty of Civil Engineering and Geosciences,Delft University of Technology, 2600GA Delft,The Netherlands) 摘要:从力学性能、传输性能和收缩性能3个角度阐述了界面过渡区(ITZ)对混凝土宏观 性能的影响.其中力学性能主要从强度、刚度以及断裂力学性能3个方面,传输性能主要 从扩散性能与渗透性能2个方面进行考虑.探讨了在多因素交互作用下,有关界面研究方 面存在的不足. 关键词:界面过渡区;强度;弹性模量;断裂力学性能;扩散性能;渗透性能;收缩性能; 多因素交互作用 中图分类号:TU528 文献标识码:A Review on the Study of Effect of ITZ on the Macro Properties of Cementitious Composites CHEN Hui—sul, SUN Wei1, sTRoEvEN Piet2 (1.Department of Materials Science and Engineering.Southeast University,Nanjing 210096,China 2.Faculty of Civil Engineering and Geosciences,Delft University of Technology, 2 600GA Delft,The Netherlands) Abstract:Influence of ITZ on macro properties of concrete was reviewed in three parts,i.e.me— chanical properties,transport properties and shrinkage.From the mechanical point of view, strength,stiffness and fracture mechanics were considered.As for the transport properties,in— fluence of ITZ on diffusivity and permeability of concrete was demonstrated.Finally,the paper discussed the deficiency in ITZ study when concrete was subjected to multiple damage factors. Key words:interfacial transition zone(ITZ);strength;elastic modulus;fracture mechanical prop— erty;diffusivity;permeability;shrinkage;interaction of multiple factors 传统观点认为界面过渡区(ITZ)是混凝土的薄弱环节,在普通混凝土中通常也可看到位于集 料粒子与浆体问界面区的断裂路径,但这是由于ITZ自身的薄弱性还是水泥浆体与集料之间刚度 差导致应力集中而引起的目前还不清楚.假定ITZ是混凝土性能最薄弱的部分,那么就要回答如 下几个问题:(1)ITZ的性能到底在多大程度上影响着整个材料的性能;(2)是否可以采用一种可控 方式通过改变ITZ微观结构来提高混凝土的性能. 本文将ITZ微观结构对混凝土宏观性能的影响划分为对混凝土力学性能、收缩性能以及传输 收稿日期:2003—11~15;修订日期:2004—01~06 基金项目:国家自然科学重点基金资助项目(59938170) 作者简介:陈惠苏(i973一)。男,江苏南通人。东南大学博士.E-mail:chenhuisu@hotmail.corn or c.huisu@cltg.tudelft.n1 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 建筑材料学报 第8卷 性能3方面的影响来讨论.对力学性能的影响又细分为对混凝土强度、弹性模量以及断裂力学性能 3个方面的影响.对传输性能的影响则包括扩散性能(气体扩散、液体扩散)以及渗透性能等.此外, 简要讨论了多因素交互作用下,某一因素导致的ITZ对材料其他宏观性能的影响. 1 ITZ微观结构变化对混凝土力学性能的影响 1.1 对混凝土强度的影响 基于对试验数据的回归分析,Alexander等 得到了如下所示的集料与水泥浆体问界面粘结 强度与混凝土抗压强度及抗弯强度之间的关系式 b0+bl,nl+b2 2 式中: 表示混凝土的抗压强度或抗弯强度;b。,b ,b:为线性回归系数(对抗压强度, ,6 ,bz分别 为480,2.08和1.02;对抗弯强度,b。,bI,b:分别为290,0.3l8,0.162); t为水泥浆体的强度; 2 为ITZ的界面粘结强度.由上式可以看出,浆体强度变化产生的影响是ITZ强度变化产生影响的2 倍左右. Darwin等 发现,当粗集料与砂浆问的粘结强度大幅度减小时,混凝土弹性模量及抗压强度 的降低幅度却很小.综合前人有关界面粘结强度、基体强度的试验与有限元模拟结果,Darwin 认 为,不是界面粘结强度而是材料中各组分的强度(包括ITZ自身的强度)控制着混凝土的抗压强 度,这一点与Goldman等 用碳黑取代硅灰进行研究的结果一致.但Darwin引用的文献(包括试 验的和有限元模拟的)都是关于砂浆与粗集料之问界面粘结强度的变化对?昆凝土抗压强度的影响, 忽略了净浆与细集料之间也存在相似的ITZ。因而其分析并不全面.wu等 以及Chen等 的试 验结果表明,提高界面粘结强度可以改善混凝土的抗拉强度,但对抗压强度影响幅度不大.Bentur 等 认为ITZ结构及其性能变化对混凝土强度的影响通常不超过20 ~3O .但在测试界面粘结 强度的时候,采用的都是模型试件,因此得到的界面结构和性能与?昆凝土中的实际情况不同. Prokopski等 通过采用或不采用石蜡对白云石集料以及卵石集料进行表面处理,研究了ITZ对 混凝土抗压强度的影响.结果发现,对集料进行表面处理可使混凝土的抗压强度降低50 以上.另 外,许多文献对于水泥净浆与砂浆或7昆凝土的强度相比到底孰高孰低颇有争议,在同水胶比条件 下,有的发现净浆的强度高于混凝土的强度,而有的发现净浆的强度低于混凝土的强度.例如,在采 用相同集料的前提下,掺人硅灰后?昆凝土的强度高于同水胶比的净浆强度,而不掺硅灰时混凝土的 强度低于同水胶比净浆的强度.其原因一方面来自于水泥净浆与集料之间的强度比,另一方面则来 自于浆体与集料之间的ITZ. 除了试验技术外,研究人员还采用各种模拟方法研究了ITZ对材料强度的影响.Stankowski 等 的连续有限元模型模拟结果显示:当砂浆与粗集料问的界面粘结由通常情况变为完美粘结时, 混凝土的抗压强度只提高7 ,抗拉强度提高29%.van Mier,Schlangen等n …采用有限元网格模 型(1attice mode1)模拟了界面强度对 昆凝土抗剪强度的影响,结果发现:当界面粘结强度提高10倍 时,抗剪强度提高了30 ~35 ,因此他们认为基体强度是控制混凝土强度的主要因素.Schom_l 也采用类似的网格模型(bochum method)进行了模拟,结果发现:混凝土的抗拉强度及抗弯强度确 与界面粘结强度相关,但并非呈线性关系;界面粘结强度的降低将在一定程度上导致混凝土抗拉强 度减小;只要界面粘结强度不为零,界面粘结强度的变化对}昆凝土抗压强度的影响就不是很大. Mohamed等 的微观力学模型模拟结果显示,当ITZ的性能(抗拉强度、弹性模量以及断裂能)在 基体性能的60 以下时,混凝土的承载能力会明显降低.到目前,在模拟浆体与集料之间ITZ性能 对?昆凝土强度或砂浆强度以及断裂力学性能影响的有限元模型中,考虑到计算量的问题,界面单元 的尺度比实际情况要大,同时排除了模型混凝土中粒径过大及过小的集料粒子,此外模型混凝土中 集料的体积分数也可能比实际情况要小得多.这些是在分析文献中采用有限元方法模拟ITZ性能 对混凝土性能影响的结果时需要注意的几个问题. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈惠苏等:水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响 1.2对混凝土弹性模量的影响 早期人们开发了用来表示混凝土弹性模量随集料和浆体弹性模量以及体积分数变化的串连模 型、并联模型、Hirsch模型以及Counto模型_2 ,但始终不能很好地预测混凝土的弹性模量.Sime— onov等n 综合以往试验数据后发现,两相复合材料的Hashin-Shtrikman弹性模量带理论(Hash— in—Shtrikman bound for the modulus of elasticity)也不能很好地预测混凝土的弹性模量,因此认为 有必要将集料与水泥浆体间ITZ弹性模量的影响考虑进来. 目前还很难直接测得ITZ的弹性模量,所有方法都是间接研究ITZ对砂浆或混凝土弹性模量 的影响.Cohen等 用2种试验方法研究了ITZ对混凝土弹性模量的影响:(1)保持其他(集料的 体积分数、水胶比和浆体品种)条件不变,仅通过集料的粒径分布来改变集料的表面积;(2)保持其 他条件相同,掺或不掺硅灰.结果显示:ITZ的刚度比基体的刚度要低,硅灰的掺入能够提高ITZ 的刚度及混凝土的刚度.Alexander等u 研究了由不同类型(greywacke与wits quartzite)但弹性 模量(73 GPa)相同的集料制备出相同强度等级混凝土的弹性模量,结果发现,混凝土的弹性模量 差别明显.这一试验结果不仅说明了ITZ对混凝土弹性模量的影响,同时也说明了集料类型对ITZ 微观结构的影响.Nilsen等 的试验与模型计算结果也显示出ITZ对混凝土的弹性模量有着不可 忽略的影响. 除上述的预测ITZ弹性模量及研究ITZ对混凝土弹性模量影响的试验方法外.学者们[¨ 还开发出了研究ITZ性能对砂浆或混凝土弹性模量影响的模型.Neubauer J 采用数字图像与有限 元相结合的方法研究了砂浆刚度的变化,结果发现,浆体与集料之间的ITZ对砂浆弹性模量的影 响幅度与ITZ所占的体积分数、ITZ与基体的弹性模量比有关.Lutz_2。。的三相模型结果显示:ITZ 弹性模量是基体弹性模量的3o ~5o ,与Neubauer的模型预测结果相似.YangE 妇采用Doulbe— Inclusion方法与Mori—Tanaka理论,结合三相模型预测了ITZ的平均弹性模量,结果发现:当界面 厚度为20 m时,ITZ的弹性模量量为基体弹性模量的2o ~4O ;当界面厚度为40 m时。ITZ 平均弹性模量为基体的5o ~7o V0.Ramesh等 纠开发的四相模型也研究了ITZ的影响,发现: (1)在其他因素保持不变的条件下,ITZ的体积分数增加50 ,复合材料的弹性模量降低4O ;(2) 在ITZ弹性模量与基体弹性模量的比值较小时,ITZ体积分数的增加将导致混凝土弹性模量的急 剧降低;(3)在给定的ITZ体积分数下,混凝土弹性模量的变化速度将随ITZ弹性模量与基体弹性 模量比值的增加(0~1.0)而降低. 在假定ITZ为均匀相的条件下,唐国宝_2 采用普适有效介质方程计算后发现,当ITZ的厚度 在2O~50 pm之问时,混凝土中砂浆与粗集料之间的ITZ的弹性模量仅为砂浆弹性模量的1/5~ 1/3;而对砂浆而言,ITZ弹性模量不足基质净浆弹性模量的1/2. 结合弹性理论以及Eshelby的等效介质理论,I i等 “。 采用四相模型模拟了ITZ对混凝土有 效弹性模量的影响.假定界面弹性模量小于基体弹性模量以及基体弹性模量小于集料弹性模量,结 果显示:(1)在相同集料体积分数下.集料比表面积的减小提高了混凝土的弹性模量;(2)基体弹性 模量以及界面弹性模量的提高都会改善混凝土的弹性模量,但在ITZ体积分数保持不变的前提 下,改变界面弹性模量及集料弹性模量都不如改变基体弹性模量对混凝土弹性模量的影响幅度大; (3)在ITZ厚度一定,集料弹性模量高于基体弹性模量时,集料体积分数的提高将使混凝土的有效 弹性模量提高,对界面厚度的减小也有益;(4)在集料保持不变时,界面厚度的增加导致混凝土有限 弹性模量的降低,界面与基体弹性模量比的提高将使混凝土的有效弹性模量提高.此外.他们还发 现当集料(如轻集料)弹性模量低于基体弹性模量时,混凝土的弹性模量随集料体积分数的增加而 降低. 进一步研究这些模型将发现,除了I utz 的三相模型中考虑到ITZ的结构梯度外.其他模型 中要么将ITZ的厚度看做是常数,要么将ITZ看做是均匀的,并为整个界面区分配1个特定的性 能.这些模型忽略了ITZ的厚度以及弹性模量可能会随着水化的进行以及各种外界环境条件的作 维普资讯 http://www.cqvip.com 54 建筑材料学报 第8卷 用发生变化.此外,对于普通混凝土而言,集料的体积分数较高,则很有可能存在界面的交互作用, 这一问题在力学计算模型以及模拟模型中都没有得到考虑. 1.3对混凝土断裂力学性能的影响 众所周知,普通混凝土的破坏面基本上是绕过集料的,但随着混凝土强度等级的提高,破坏面 可能穿过集料,这在一定程度上反映了ITZ对}昆凝土断裂力学性能的影响. 研究集料与浆体之间界面断裂力学性能、断裂模式及其影响因素的文献_2。q 很多,包括胶凝 材料组成、水胶比、界面剂、集料品种和表面粗糙度以及养护龄期等.不过大多采用模型试件测试界 面断裂力学性能,这与实际混凝土中ITZ的情况是不同的,但它也从侧面反映出了一些东西. Older等 。 比较了5种集料(玄武岩、石英、石灰石、大理石以及杂砂岩)与6种胶凝材料(普通 波特兰水泥、白水泥、抗硫酸盐水泥、水泥+5 ”硅灰、水泥+1O 硅灰、水泥+5 FA)在不同养 护制度及不同龄期下(7,28,56 d)界面断裂的微观结构后认为,集料与浆体之间ITZ的断裂模式取 决于集料、基体以及ITZ强度和刚度的相对比值,而不是各自的绝对值.Alexander_2 阳等的试验 结果表明:(1)净浆与安山岩集料之间的界面断裂能要比净浆自身的断裂能高,而净浆与白云石集 料之间的界面断裂能比净浆的低;(2)浆体以及集料与浆体间ITZ的断裂韧性与断裂能随着水胶 比的降低和养护时间的增长(3~91 d)而提高. 研究混凝土断裂力学性能的文献也很多,如文献E3o].但同时将界面微观结构及界面断裂力学 性能的研究结果与整个混凝土断裂力学性能的研究结果结合起来的文献却不多. Alexander等 比较了普通净浆、掺硅灰净浆及其与安山岩、白云岩和花岗岩之间的界面,以 及由这些浆体与集料组成的砂浆(灰砂比为1:2)的断裂韧性与断裂能后发现,界面结构的改善 (掺硅灰),将导致界面断裂韧性以及断裂能的降低(界面断裂能的降低幅度要比断裂韧性的降低幅 度大),但集料与浆体间界面结构的改善对砂浆断裂韧性的影响不大,不过,砂浆的断裂能会有一定 程度的降低(降低幅度为2O ~3O ).此外,他们还发现集料与浆体间界面断裂韧性及断裂能未 必比净浆的低,这与Hassanzadeh_3纠以及以往的一些试验结果 。 不同,因此在对比它们的时候,要 注意所用试验方法的差别. Prokopski等 研究了卵石、白云石在正常情况下以及表面经过石蜡处理后制备的混凝土的 应力强度因子以及裂纹尖端张开位移的差别.结果发现:集料表面经过石蜡处理后,混凝土的应力 强度因子大幅度降低.石蜡处理使卵石混凝土的应力强度因子降低幅度高达49.2 ~56.2 ,裂 纹尖端张开位移降低19.2 ~32.3 ;根据采用基体的不同,石蜡处理使白云石混凝土的应力强 度因子降低幅度在41.5 446.9 之间变化,而裂纹尖端张开位移的变化幅度在8.6 ~25.4 之间.根据以上的试验结果,在确定ITZ的厚度是否对混凝土的断裂力学性能有着非常重要的影 响之前,似乎有必要进一步研究集料表面石蜡处理层厚度的影响问题. 在试验中保持基体与集料的性能不变而单独改变集料与浆体之间ITZ的性能比较困难,但计 算机模拟技术似乎可以比较轻易地解决这个问题.Schlangen等 首先考虑了界面对混凝土断裂 力学性能的影响,他们的2D混凝土模型显示,在其他条件不变的情况下,不论抗拉强度还是抗剪 强度,界面粘结强度的提高都会降低模型混凝土的断裂能.在2D网格模型的基础上,Lilliu等z,开 发了3D网格模型,并研究了集料体积分数(O.3440.62)对模型}昆凝土断裂力学性能的影响,发现 在其他参数不变(集料、界面以及基体之间的弹性模量和抗拉强度比)的条件下,集料体积分数的增 加将使峰值荷载以后相同位移下混凝土可断裂的单元数量明显增加.此外,Mohamed等 的微观 力学模型模拟结果显示,当ITZ的性能(抗拉强度、弹性模量以及断裂能)在基体性能的6O 以上 时,裂纹扩展路径会离开ITZ;当界面与基体的性能比超过8O 后,集料的性能对混凝土的断裂力 1)本文中所涉及的掺量、比值均为质量分数、质量比. 2)LII LIU G·van MIER J G M.Analysis of 3D crack propagation in random lattice structures with particle overlay,Private Communication,2001. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈惠苏等:水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响 学性能的影响起到非常重要的作用.虽然由于计算量的导致目前采用的ITZ的单元尺度远远 大于公认的ITZ厚度范围(≤200 m),且混凝土的断裂损伤理论还不完善,但这些计算机模拟技 术确也从侧面反映了ITZ对混凝土力学性能的影响. 2 ITZ微观结构变化对混凝土收缩性能的影响 众所周知,净浆的自身收缩以及干缩要比砂浆和混凝土的大得多,混凝土的收缩变形随着集料 用量的增加而减小口 .其影响因素可分为胶凝材料、配合比以及成型和养护条件.其中,胶凝材料 的影响主要是胶凝材料的品种(水化生成的钙矾石含量较高)和细度(水泥的细度越大,浆体的自身 收缩越高 );配合比的影响主要是水胶比、集料的体积分数、粒径分布(尺寸和级配)、弹性模量 (主要是集料弹性模量、ITZ弹性模量以及基体弹性模量之间的比例)、粒形以及干缩性能(大多数 集料可以不考虑干缩);成型以及养护制度的影响主要是环境温度和湿度对胶凝材料水化过程(包 括湿度迁移以及水化速度)的影响.在研究ITZ对混凝土收缩的影响时,如何区分是来自于基体还 是界面或是集料的作用是一个关键问题.然而,除了Bisschop 3 在研究干缩问题时考虑了基 体自作用(self—restraint)和集料作用(aggregate—restraint)对干缩引起的微裂纹的影响 外,现有的与混凝土收缩试验有关的文献资料很少考虑到这些方面. 产生上述问题的原因可能来自于保持其他因素不变而单独改变ITZ微观结构以解决研究其 对砂浆或混凝土收缩性能的困难.然而计算机模拟技术似乎很容易解决一些通常试验方法所不能 完成的问题.遗憾的是,目前有关ITZ对混凝土收缩影响模拟试验的结果不多,有关这些模拟方法 的具体介绍可以参见文献[37].Cedolin等口。 采用有限元微观模型模拟砂浆的收缩时,也将集料与 浆体之间的ITZ以1个杆单元考虑进来,但文献中没有介绍界面性能变化对模型砂浆收缩的影响 问题.Horsch等 正在发展1个连续有限元模型,将界面作为1个单元考虑,并打算研究与 收缩有关的问题,不过目前还未见相关文章发表.本文只收集到Neubauer等 关于ITZ对混凝土 收缩性能影响的模拟结果,在2 d龄期时测试到砂浆集料是由面积率为55 的单粒径粒子组成.结 果显示,界面弹性模量与基体弹性模量比值的提高使砂浆的整体收缩减小,界面收缩应变与浆体基 体收缩应变比值的减小将使砂浆的整体收缩变形减小. 结合文献[37]中提到的几种模拟技术可以看出,要做到准确模拟以及预测实际混凝土的收缩 性能,计算机模拟技术在基础理论、模型建立以及计算方法上还有许多问题需要解决,但现有的模 拟技术至少可以提供一些相关信息. 3 ITZ微观结构变化对混凝土传输性能的影响 混凝土的扩散性能与渗透性能是决定混凝土耐久性非常重要的2个方面,这里将混凝土的扩 散性能与渗透性能统称为混凝土的传输性能(transport properties of concrete).从概念上讲,渗透 主要由压力梯度引起,一般采用Darcy定律描述.而扩散与浓度梯度有关,一般采用Fick定律描 述,而对于浓度梯度随时间变化的情况,则采用Fick第二定律或其改进形式描述.实际上,离子在 混凝土内部的迁移离不开水分或水蒸汽的存在,所以扩散与渗透是密不可分的.此外,根据材料使 用环境的不同,可能存在扩散与渗透的耦合、扩散与电场作用下离子迁移(electro migration)的耦 合、扩散与离子(如氯离子)同水化产物结合的耦合以及温度场的影响等多种情况,针对不同情况, 需要采用不同的模型进行描述.Ollivier与Nilsson等 。’“ 综述了混凝土各种类型的渗透模型、扩 散模型以及耦合模型.本文不详细讨论这些模型,只给出一些ITZ对混凝土传输性能影响的试验 与模拟结果. ITZ微观结构的定量分析结果表明,ITZ的平均孑L隙率约为基体的3倍 ;理论上讲,ITZ的 高孔隙率会促进侵蚀性介质的入侵并加速有害化学反应的进行.此外,ITZ的高浓度CH也会加速 溶蚀,进一步劣化混凝土抗离子侵蚀的能力.因直接评定ITZ传输性能有困难,一般采用模型样品 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 建筑材料学报 第8卷 对其进行研究.Breton等 采用几何模型(见图1)研 究后发现:假定ITZ厚度为100 ffm时,ITZ的离子扩 散系数是基体的6~12倍.Yang 等根据砂浆(集料 体积分数均低于40 )的快速氯离子迁移试验结果, 假定ITZ厚度分别为2o,40,50 ffm时,求得ITZ的氯 图1 ITZ传输性能试验样品的儿何模型_“: 离子迁移系数依次为基体的2.83,1.76,1.55倍.Xie Fig.1 Geomeltry of the sample for the test 等 研究了浆体以及ITZ的电导率(y),结果发现:在 of ITZ transport properties 水化1 d时,ITZ对模型样品的电导率有很大的影响.若假定ITZ厚度为20 ffm,开始时ITZ的电 导率约为净浆基体的10倍,但随着水化过程的进行该比值急剧降低.这一水化过程对ITZ传输性 能的影响特征与Bourdette等 发现ITZ的孔隙率随着水化过程的进行而降低的试验结果相似. 在系统比较了不同水胶比(0.35,O.40.0.45)净浆与砂浆(集料体积分数<0.35)的传输性能后, Tumidaiski_4 认为ITZ对材料的电导率几乎没影响,如果有,其影响也很小.这一结论与Homain 等[4 和Yangc 的看法是一致的. Shane等 的试验与计算机模拟结果显示,砂浆的电导率随集料用量的增加而降低。在低集 料用量下(集料体积分数 … 小于5O%),砂浆电导率与同水胶比净浆电导率的比值基本上与(1一 ) 成正比,ITZ的存在对砂浆电导率的影响不大.但ITZ与基体之间的确存在电导率差别,这 种差别随着水化过程的进行而改变.当水化程度在0.5~0.8之间时,二者的差别较大,最大时 y /r 。 可以达到7左右( 一2O%),而在其他情况下y -rz/ym 在2左右. Delagrave等 。j比较了2个系列集料体积分数分别为0,19%,57%以及0,3O%,50%的砂浆 的氯离子扩散系数后发现,随着集料体积分数的增加,砂浆的氯离子传输系数降低.根据文献E46; 采用的方法,对于集料体积分数分别为57 和5O 的砂浆来说,即使假定ITZ厚度为10 m,那么 仍有95 以上的ITZ是连通的,因此结合Garboczi~ 的模拟分析结果,似乎并不是ITZ的连通性 而是ITZ与基体的传输性能之比在控制着砂浆的传输性能. 理论上对高水胶比、高孔隙率的浆体而言,在浆体中掺入低渗透性的集料粒子,由于阻断或增 长了浆体中液体渗透的连续通道,混凝土的抗渗透性能理应比净浆的高,然而文献中关于集料对砂 浆或混凝土渗透性能影响的结论似乎有很多矛盾的地方.0llivier等 的试验结果显示,石灰石集 料与浆体之间ITZ的渗透系数随着养护时间的增长而减小,直至最后稳定.Wakeley等 比较了 岩石、砂浆以及岩石与砂浆界面的渗透系数后,认为集料与浆体之间的ITZ不会成为混凝土流体 渗透的首选路径.Katz等 在净浆以及砂浆中加入集料后,观察到了渗透性大幅增加的现象,还发 现随着集料尺寸的增大、整个材料的可渗透性也增加.Watson等 测试抗油渗透性时发现,混凝 土样品的渗透性是净浆样品的100倍,且混凝土的渗透系数随着集料用量的增加而增大.Mehta 分析了Katz与Watson的试验结果后认为这是由于ITZ存在微裂纹的缘故,且随着集料尺寸的增 大,界面开裂现象会变得更严重(这一点在Bisschop等 。 的试验中得到了验证).由于渗透性随裂 纹开度的3次方变化,因此ITZ微裂纹的存在与变化对混凝土的渗透性非常重要.与前面相反, Dhir等 发现对由不同粒径分布的集料制备的混凝土的气体渗透性并没有多大差别.文献[58]中 显示,当集料的体积分数低于45 时,砂浆( /m 一0.50)的抗气体渗透性能随集料用量的增加 而提高,但当集料体积分数超过45 后,砂浆的抗气体渗透性能反而随集料用量的增加而降低.与 前述情况相似,Houst,Wittmann以及Bourdette等 。 研究扩散现象时发现临界集料体积分数 为50%.Winslow[6 的模拟结果也显示了临界集料体积分数的存在,但临界集料体积的数值与 ITZ的厚度大小有关.根据由标准砂(0.5~2.0 m)制备的砂浆其孔径分布随集料体积分数变化 的试验结果.唐国宝 钉认为形成ITZ逾渗路径(percolation path)的临界集料体积分数在20 ~ 3o 之间.结合逾渗理论_6 可以看出,造成临界集料体积分数有很大差别的原因与所用结构模 型的形式有关;结合混凝土材料,可以认为形成ITZ逾渗路径的临界集料体积分数实际上与集料 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈惠苏等:水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响 的粒形、粒径分布以及ITZ的厚度有关. 根据存在临界集料体积分数这一观点可以看出,当集料用量达到或超过临界体积分数后,在复 合材料中的ITZ形成了连通路径.而Garboczi【 的模拟分析结果显示,ITZ的连通性固然重要,但 象扩散性能一样,决定砂浆渗透性能的是ITZ渗透系数与基体渗透系数的比值.另外值得注意的 点是,ITZ对材料渗透性能的影响程度要高于它对扩散性能和电导率的影响.Shane等 例结合文 献[65]的试验数据后发现:集料的掺入可能使砂浆的渗透系数大幅度增加,如集料体积分数为 55 的砂浆的渗透系数是相同水胶比以及相同水化程度(a一0.7)净浆的40倍;如果流体全部由 ITZ通过,那么砂浆的渗透性将是净浆的50倍.ITZ的存在对材料扩散性能与渗透性能产生如此 大差别的原因可以采用Hagen—Poiseuille定律来解释 .若假定Hagen—Poiseuille定律对小孔径 仍然合理,那么材料的扩散系数与孔径的平方成正比,材料的渗透系数与孔径的4次方成正比.显 然孔径变化对渗透系数的影响比对扩散系数的影响要大得多.例如,根据Katz—Thompson方程(是 (d ·y)/2267 ̄),在假定y1TZ/ 一2,ITZ的临界孔径(d c.1 z)为0.49 m,净浆的临界孔径 (d )为0.03 m的前提下,ITZ的渗透系数是净浆的534倍. 理论上对普通混凝土而言,集料的体积分数一般在60 ~80 之间,即使根据文献[46,47, 62,67]中的观点来看,该体积分数值远远高于集料的临界体积分数,由于ITZ始终伴随着集料的 存在而存在,因此ITZ显然相互贯通并形成了逾渗路径(petcolation path).由于ITZ疏松多孔的 特性,ITZ的逾渗路径必然会影响到混凝土的传输性能.而分析ITZ微观结构特征变化对混凝土 传输性能的影响很不容易.一方面,因为随着集料体积分数的增加,浆体的体积分数就会降低,这 样,透过浆体形成的渗透路径的曲折性(tortuosity)增加;另一方面,集料体积的增加导致在集料表 面吸附水以及材料成型过程中的泌水区域增加,这样ITZ的体积以及ITZ形成连通路径的可能性 就增加,与此同时,由于材料中总的用水量是恒定的,额外集料的掺人,必然会争夺被其他集料表面 吸附的水量和水泥浆基体中的水分,这样平均分配给每个集料表面的水量可能降低,基体的水胶比 也随之降低,导致基体的抗扩散与抗渗透性能提高水量;再一方面,砂浆以及混凝土在胶凝材料水 化过程中,由于收缩、湿度梯度、温度梯度等因素,在ITZ以及基体内部很可能出现微裂纹,而裂纹 的存在也可能对材料的传输性能造成影响.因此,砂浆及混凝土的表观传输性能实际上是上述各影 响因素竞争的结果. 4 多因素交互作用下界面微观结构变化及其对混凝土性能的影响 在文献[68]中阐述了荷载作用对界面的损伤作用,文献[56]也给出了湿度变化引起界面收缩 裂纹的一些信息,而由冻融引起的混凝土孔结构的变化已有很多报道.尽管冻融引起的孔结构变化 从一个侧面反映了混凝土内部的裂纹情况,但单就混凝土内部裂纹随冻融的演化以及界面微观结 构随冻融的损伤演化过程的定量研究目前还未见相关报道.下面仅给出一些冻融循环对混凝土力 学性能和传输性能的影响、荷载作用对混凝土抗冻性和传输性能的影响以及化学侵蚀对混凝土力 学性能的影响3个方面的信息. 4.1 冻融循环对混凝土性能的影响 Saito等 采用AASHTO T277方法研究了冻融循环对普通混凝土与轻集料混凝土扩散系 数的影响,结果发现:对含气量在5.3 ~7.8%的普通混凝土(水胶比为0.55,0.65),即使冻融 618个循环后,氯离子的渗透系数也变化不大;而对采用饱水膨胀页岩集料制备的轻集料混凝土 (水胶比为0.45,0.55),不论含气量为多少,即使只经历1个冻融循环,其氯离子渗透系数也会大 幅度增加.Jacobsen等[7 发现,因快速冻融(0,31,61,95个循环)引起的内部裂纹导致非引气混凝 土(水胶比为0.40)的抗压强度降低40 --68 9/6,氯离子迁移速度增加2.5~8.0倍.再将冻融后的 试件在饱和石灰水中养护3个月后发现,混凝土的抗压强度仅恢复0~10%,氯离子迁移速度降低 28 ~35%.但到目前为止,还没有谁去区分这种宏观性能的降低有多少是因基体性能劣化或界面 维普资讯 http://www.cqvip.com 58 建筑材料学报 第8卷 性能劣化引起的.Banthia等 研究了净浆经冻融循环后的抗渗性能,发现养护4,24,28,72 h的 净浆试件冻融后的渗透系数比养护28 d净浆渗透系数高1个数量级,但遗憾的是,他也没有对比 相同条件下砂浆或混凝土渗透系数的变化,而这至少在一定程度上可以看出界面的影响. 4.2荷载作用对混凝土抗渗透以及抗扩散性能的影响 慕儒 发现,在荷载(荷载与硫酸盐或氯盐侵蚀)作用下混凝土的冻融劣化速率加快;有侵蚀 性盐存在时,高强混凝土冻融劣化加速,低强度混凝土冻融劣化有所延缓.Saito等 发现,当静态 单向轴压荷载小于极限荷载的90 时,卸载后试件的氯离子扩散系数与未加荷载试件的氯离子扩 散系数几乎相同;即使试件所受压力达到极限荷载,卸载后试件氯离子扩散系数的增加幅度也不 大.但如果?昆凝土经受的是疲劳压缩荷载,那么当最大疲劳应力为极限荷载的60 ~8O 时,卸载 后试件的氯离子渗透系数会大大提高. Samaha等 4]研究了单轴压缩应力比分别为0,0.40,0.75,1.【)()条件下圆柱体混凝土试件受 压后的快速氯离子渗透系数(AASHTO T277),发现:(1)当单轴压缩荷载水平低于混凝土抗压强 度的0.75时,卸载后混凝土的传输系数变化不大,但当采用1.()()的应力比后卸载测试发现混凝土 的传输系数提高了20 ;(2)比较了砂浆与不同粗集料体积分数的混凝土的渗透系数后发现,随着 粗集料体积分数的增加,混凝土的氯离子扩散系数降低,而砂浆的氯离子渗透系数达到最高;(3)养 护后,试件放在常温空气中干燥对混凝土的快速氯离子渗透系数并没有什么影响,但在l1O。C下对 试件进行干燥会引起混凝土氯离子扩散系数大幅度增加,这种干燥引起的损伤大于短期加静载至 100 所引起的损伤;(4)混凝土的强度与扩散性能之间并没有直接关系,高强混凝土的渗透系数不 定比低强混凝土的渗透系数小. Sugiyama等 用氮气吸附法研究在持荷状态下单轴压缩应力变化对混凝土气体渗透性能的 影响,采用的混凝土为同水胶比(0.4~O.6)的轻集料混凝土与普通混凝土,样品是中空的圆柱体试 件,在稳定状态下测试混凝土的气体渗透性能,发现普通混凝土气体渗透系数开始出现大幅增加时 的应力比为极限抗压强度的76 ~79 ,而轻集料混凝土的该应力比为82 ~89 .混凝土的饱 水程度对气体渗透系数有影响,饱水程度提高,使混凝土出现气体渗透系数快速增加的应力水平提 高,如饱水程度为96 时,对普通混凝土的该应力水平提高到80%;轻集料混凝土的提高到9O 9/5 以上. Francois等 发现:(1)单轴持续受压状态下,当应力水平低于临界应力时,荷载的增加对混 凝土的扩散及渗透性能影响不大,但应力水平超过临界应力时,材料的扩散系数和渗透系数将随着 荷载的增加而大幅增加.由于不同研究者所采用的混凝土品种不同(如普通混凝土,高强混凝土以 及轻集料混凝土等),所给出的临界应力也不同,但混凝土抗压强度的范围都在40 9/6~80 之间. 并认为,在临界应力之前,荷载的增加使界面裂纹的数量增加;当超过临界应力后,荷载的增加将使 界面裂纹相互贯穿与分叉,同时主裂纹逐渐形成.(2)单轴持续受拉条件下,在达到峰值荷载之前, 混凝土的渗透系数与扩散系数变化都不大;当超过峰值荷载以后,}昆凝土的扩散系数与渗透系数急 剧增加.如果在达到峰值荷载以前卸载,那么加载对混凝土的渗透性能与扩散性能影响并不大;但 如果是达到峰值荷载以后卸载,那么混凝土的扩散系数与渗透系数会大幅增加,这与G6rard等 的结论基本一致,不过他们还发现荷载变化对混凝土渗透性能的影响比对扩散性能的影响大;此外 根据G6rard等的分析,在无应力作用下界面微裂纹的存在似乎对混凝土扩散性能与渗透性能的影 响不大,而是所受外荷载的应力水平对混凝土扩散性能与渗透性能的影响才值得关注. 4.3化学侵蚀对混凝土强度的影响 Carde等 发现,尽管采用NH NO。的加速溶析(1eaching)作用使砂浆及净浆在溶析速度 (1eaching kinetics)和溶析深度(1eaching front)上没有什么差别,但溶析作用使被溶析砂浆的强度 只有同样情况下被溶析净浆强度的一半.笔者认为这主要是溶析作用使在砂浆中集料与浆体之间 ITZ的CH以及CSH加速降解的结果.当掺入30 的硅灰以后,由于硅灰对ITZ的CH的吸收, 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 陈惠苏等:水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响 59 使界面过去的浆体特性与基体部分相似,因而掺硅灰的砂浆在加速溶析后其强度与掺硅灰的净浆 相比损失不大.Park等 的研究结果显示,硫酸盐(硫酸镁和硫酸钠)溶液侵蚀作用使混凝土的强 度降低. 由上可知,在多重因素交互作用下,混凝土的性能劣化速率加快,然而目前对在某种环境因素 (如荷载、冻融、化学侵蚀)作用下引起的混凝土性能(扩散性能、承载能力以及抗冻性能等)降低这 方面的研究大多还停留在宏观尺度上.对于微观结构随环境因素变化的研究目前较少,而有关ITZ 微观结构随环境因素变化方面的研究就更少了,所以很少有关于界面微观结构在单一以及多重环 境因素下变化对混凝土其他宏观性能影响程度的报道. 另外,在考虑ITZ对混凝土性能影响的时候有2个值得注意的问题:一是采用随机截面分析 法得到的ITZ厚度大于实际ITZ厚度;二是较小间距的邻近集料粒子所形成的漏斗效应将使小尺 度水泥粒子可以通过但大尺度水泥粒子无法通过,因而形成局部区域水泥粒子的重分布,致使各处 ITZ厚度并非完全相同. 众所周知,混凝土中的集料粒子是不规则粒子,由于混凝土中各组分的不透明性,因此截面分 析法是研究ITZ微观结构的常用方法.由于截平面并非正好垂直于集料的表面,所以由截面分析 法得到的表观ITZ厚度比实际ITZ厚度大.最近的理论计算结果显示【7 ,对二维和三维凸形集料 粒子而言,若ITZ厚度远小于集料尺寸,则采用随机截面分析法得到的表观ITZ厚度是实际ITZ 厚度的丌/2倍和2倍.因此在研究ITZ对材料性能的影响时,界面厚度计算结果的可靠性是首要 条件. 实际混凝土中的集料尺寸从小于0.125 mm,到十几毫米甚至几十毫米.而模型混凝土中邻近 集料表面间距的模拟结果与理论计算结果显示 :邻近集料表面最近间距的变化范围很大,从小 于1 ptm到200 m.水泥粒子的尺寸在小于1 m到几十微米之间变化.较小间距的邻近集料粒子 形成的漏斗效应,将导致大于该间距的大尺度水泥粒子被卡住,而只有小于该间距的水泥粒子才能 通过,这就会产生局部区域的水泥粒子的重新分布.即使消除了局部泌水效应等因素对ITZ厚度 的影响,由于漏斗效应导致的水泥粒子重新分布也会使不同位置ITZ的厚度不同,因而增大了研 究界面对混凝土宏观性能影响的复杂程度. 5 结语 综上所述,文献中关于ITZ微观结构对混凝土宏观性能的影响大多停留在维象的角度上.研 究人员多年前就试图建立混凝土的组成、结构、环境与混凝土宏观性能之间的定量关系,但目前还 有许多问题需要解决.所以建立ITZ微观结构对混凝土宏观性能影响的定量关系,同样也有很多 工作要做. 参考文献: [1] MINDESS S.Tests to determined the mechanical properties of the interfacial zone[A].Interfacial Transition z0ne in C0n— crete(RII EM Report 11)EC].London:E&FN SPON,1996.47—63. 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