混凝土界面过渡区不均匀特性研究

摘要:在新拌混凝土制备过程中，因混凝土内部的微泌水效应和宏观泌水作用会对处于不同位置的骨料周围区域内产生水分的不均匀分布，进而影响界面过渡区的均匀性。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，其中上界面显微硬度值最大。表层骨料周围界面过渡区宽度略大于内部骨料界面过渡区;硅灰的掺加能明显改善混凝土界面过渡区的不均匀性。

关键词:界面过渡区;不均匀性;显微硬度;硅灰

混凝土界面过渡区是混凝土的薄弱环节，它在混凝土内部是一个不均匀体系，它能影响到整个混凝土构件的宏观力学性能。界面过渡区的不均匀性是由结构内部宏观和微观层面上的泌水共同作用引起的。Ol2livier，Scrivener和张承志等学者均通过试验证实了混凝土制备过程中微泌水作用引起了内部骨料的界面过渡区的不均匀性，且单个骨料不同方向上的界面过渡区也是不均匀的^[1-5];Basheer和Razak等学者认为表层混凝土是一个高度不均匀体系，该体系的形成是由混凝土制备过程中宏观泌水作用引起，表层混凝土的界面过渡区内存在孔隙分布的梯度^[6，7]。因此，混凝土在制备过程中的泌水作用会导致混凝土表层和内部骨料以及单个骨料的界面过渡区性能均存在较大差别。作者利用显微硬度测试技术，综合分析研究表层和内部混凝土界面过渡区的整体不均匀性。测试混凝土不同位置骨料周围各界面过渡区的硬度值，探讨界面过渡区的不均匀特性以及水灰比、硅灰对界面过渡区的影响。

1实验

1.1原材料

水泥为华新P.O42.5级水泥，其物理性质见表1。硅粉为挪威埃肯公司提供的半聚集态硅微粉;集料为16.5—19.6mm近似圆粒状石灰岩，用水清洗表面并烘干;水为饮用自来水;减水剂为江苏镇江特密斯混凝土外加剂厂生产的水溶性氨基磺酸盐高效减水剂，固含量33%，减水率25.5%。

1.2试件制作及养护

试件配合比见表2，按配合比均匀混合原材料，加水拌匀，将拌好的混合料装入钢模，置于振动台振动20s，刮平。于室内静置24h后脱模，然后移入标准养护室内养护至28d。每组配合比制备150mm×150mm×150mm标准抗压试件。

1.3测试方法

1)显微硬度试样制备和测试采用装有金刚石刀片的切割机将试件沿成型方向切出厚度约10mm的片状试样。选取试样待测面，放于磨样机上依次用400号，600号和1200号研磨剂(刚玉)进行逐层研磨，然后将试样在抛光机上进行抛光处理得到平整光滑的待测表面。

2)界面过渡区显微硬度测试选取圆度最接近1的骨料颗粒(每块待测样选取表层和内部2个单独骨料);分别测试单个骨料上，下和侧面(按成型方向划分)3个不同部位的显微硬度值，每个面沿界面法线方向测试20点(点之间间隔10μm);混凝土结构内部自身在微观层面上具备不均匀性，故为了测试出真实显微硬度值，选取10个不同测点测试并取平均。

2结果与讨论

2.1骨料位置对界面过渡区显微硬度的影响

图1给出了A1样表层以及内部骨料周围各界面显微硬度的分布情况。从图1中可以看出，内部骨料其下界面的过渡区均最宽为80—90μm，侧面的过渡区宽度次之为60—70μm，上界面过渡区宽度最小为40—50μm，且上界面显微硬度值均明显高于下界面，侧面显微硬度值位于两者之间;表层混凝土界面过渡区宽度略大于内部骨料。因此，骨料周围界面过渡区存在明显的不均匀性。

不均匀性的产生，主要是骨料近界面区存在水分分布的不均匀性导致。混凝土在制备过程中，结构内部在微观层面上会产生泌水作用，这些水分在振捣的作用下向上运动，而水泥颗粒因重力作用向下运动，而骨料对水的运动有阻碍作用，使水在集料下方形成水囊，导致骨料下方局部区域水分分布较多，水灰比增大。相反，骨料上方不可能有水囊形成，骨料上方区域内的微量泌水且由于骨料阻碍了水泥颗粒的向下运动，在骨料的上方形成堆积，导致骨料上方局部区域水分分布较少水灰比降低。这是促使骨料上下界面过渡区内显微硬度存在较大差别的根本原因。骨料侧面区域对水分和水泥颗粒的运动不会产生阻碍作用，因而其界面过渡区性状的产生主要是由颗粒在骨料界面处堆积性能(即墙效应)所致。试件表面的表层骨料周围界面过渡区比内部骨料周围界面过渡区宽，主要是因为振动过程中的宏观层面的泌水作用，使得更多的水分集中到混凝土的表层致使表层混凝土含水量偏高，骨料界面处形成的水囊更大，水灰比更大，导致最终表层骨料界面过渡区内结构更加疏松，界面过渡区宽度变大。

2.2水灰比对界面过渡区显微硬度的影响

图2给出了A2样表层以及内部骨料周围各界面显微硬度的分布情况。从图2中可以看出:无论内部还是表层骨料下界面过渡区宽度均减小至60—70μm，侧面过渡区宽度内部骨料为50μm，表层骨料为60μm，均较A1样有明显减小，然而上界面宽度仍为40—50μm之间;骨料上下界面显微硬度差值亦表现出明显减小，A1样内部骨料差值为4.7MPa，表层骨料差值为5.8MPa，A2样内部骨料差值为3.5MPa，表层骨料为4.5MPa，分别减小了1.2MPa和1.3MPa。

可以看出水灰比的减小可以改善界面过渡区。水灰比的减小导致单位体积内水泥颗粒量增大，水的量减小，因而在振捣过程中，内部微泌水作用不明显，水分的上移作用也相对较小，在骨料下界面处形成的水囊会比水灰比为0.42的A1样小，骨料表层的水膜厚度也相应减小，因而下界面和侧面的宽度比A1样略小，且下界面显微硬度值有略微增大;然而上界面在振捣过程中阻碍了水泥颗粒的向下运动，使得水泥颗粒在骨料上界面处的堆积为最紧密状态，水分的分布状态对水灰比改变的敏感性较小，骨料上界面显微硬度分布变化不大，界面宽度不变。内部微泌水作用的减小，导致最终骨料界面处水分分布梯度减小，单骨料周围各界面处水分分布状态差异性减小，各界面显微硬度呈现均衡的趋势。

水灰比的减小能导致新拌混凝土宏观泌水作用的减小。在振捣过程中，新拌混凝土内部微泌水量的减少，使得上移至表层的水的量减少，致使表层混凝土水灰比和内部混凝土的差别减小，表层骨料各界面显微硬度值和内部骨料的差别呈现减小的趋势。

2.3硅灰对界面过渡区显微硬度的影响

图3给出了A3样表层以及内部骨料周围各界面显微硬度的分布情况。从图3中可以看出，界面过渡区的宽度均减小20—40μm，而且上、下界面以及侧面的显微硬度值的分布呈现较为相同的趋势。内部骨料和表层骨料的不同界面显微硬度差值分别减小至1.5MPa和0.9MPa，均远小于A1和A2样的差值。

可以看出硅灰的加入大大地改善了界面过渡区的不均匀性。在混凝土制备过程中，水泥颗粒的分布密度在紧贴骨料处几乎为0，骨料界面处水泥颗粒不能分布的地方均被水占据。然而硅灰的平均粒径小于0.1μm，比水泥颗粒细2个数量级，因此硅灰在成型过程中能很好地填充于骨料界面处，占据原先水泥颗粒分布为0的地方，使分布密度增大，硅灰在骨料界面处的分布较大地减少了骨料界面处滞留的水量，因而能减小界面过渡区的宽度。

硅灰在细度上良好的优越性促使其能较好地堆积在骨料表面，增加了界面处的密实程度，使胶凝材料在骨料界面处的分布均匀化，最终导致水在界面处的分布更加均匀(水分分布梯度减小)，最终使界面过渡区趋于完善，消除了单骨料上下界面处的差别。硅灰的加入大大地减小了新拌混凝土宏观泌水作用，使表层混凝土和内部混凝土水灰比差别更小，水分在表层和内部的分布更加均匀，表层和内部骨料周围各界面处的显微硬度值差别很小。同时在掺加硅灰的试样中，在新拌阶段无论微观还是宏观层面上的泌水作用均非常小，使水分无论在哪个层面上的分布都是均匀的，导致最终的显微硬度值分布均匀，差别较小。

3结论

a.新拌混凝土在制备过程中引起的微观和宏观泌水作用可在骨料界面处产生水分分布梯度(不均匀性)，并最终导致硬化后混凝土界面过渡区内结构存在较大差异。宏观泌水作用使表层骨料界面过渡区各部位具有高度不均匀性，且和内部骨料周围界面存在较大差异。

b.水灰比对界面过渡区的性质有一定影响，水灰比的降低能减小骨料界面处水分分布梯度，减小界面过渡区的宽度，改善界面过渡区的不均匀性，但其改善效果不显著。

c.硅灰能显著地减小泌水作用，使骨料周围水分分布趋于平衡，单骨料周围不同界面区显微硬度值分布相近，差别较小，表层和内部骨料周围界面差异较小。

参考文献

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