混凝土界面过渡区的研究进展

马玉祥，贺航

（河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000）

混凝土界面过渡区的研究进展

马玉祥，贺航

（河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000）

混凝土界面过渡区（ITZ）是混凝土中水泥浆体与骨料之间的界面，对混凝土的各种性能有关键性的影响。综合已有的研究，对界面过渡区的显微硬度、孔隙率以及骨料对界面过渡区的影响方面进行了总结。

混凝土；界面过渡区；骨料

1956 年 Farran[1]用着色的树脂浸渍砂浆，发现了一层过渡环，从而发现了界面过渡区（ITZ）。随着对混凝土研究的深入，越来越多的研究表明，界面过渡区对混凝土的性能有直接的影响。从形成机制看，被认为是“墙效应”和“微区泌水效应”的作用结果[2]。对界面过渡区的厚度大小，不同的学者有不同的结论，但大部分的学者认为界面过渡区厚度主要集中在 15～50μm[3]，也有研究表明该区域超过100μm[4]。与浆体比较其特征为：孔隙率较高；未水化水泥较少，C-S-H较少；存在大的且定向生长的 Ca(OH)2晶体；钙矾石 AFt 的含量一般较高等[5]。

Shui等[6]通过试验检测了界面过渡区附近的元素分布，试验表明了界面过渡区厚度不同，Ca、Si、K 的浓度也不同，反映了混凝土的化学稳定性和各组分的相互作用与混凝土的耐久性密切相关。Young 等[7]对界面过渡区的 Ca(OH)2以及未水化水泥颗粒分布进行了研究，结果表明混凝土的界面过渡区含有 Ca(OH)2，同时界面过渡区的孔隙率高达 30%，因此，降低了抗酸能力从而对混凝土的耐久性能产生了影响。同时，混凝土气孔结构也对界面过渡区有一定的影响。高辉等[8]对混凝土加入引气剂，同时对界过渡区的微观硬度进行了试验，试验表明在混凝土总孔隙率相近条件下，增加10～200μm 孔径的气孔数量，减少 200～1600μm 孔径的气孔数量，从而减少气孔的平均孔径以及间距系数，发现了界面过渡区的宽度减小，同时显微硬度提高。Rangaraju 等[9]则对不同粒径的砂子对混凝土界面过渡区的影响进行了研究，试验表明随着砂子粒径的增大界面过渡区的厚度增大，同时混凝土的耐久性能下降，抗氯离子性能下降。

界面过渡区是影响混凝土强度、耐久性能的重要因素，研究界面过渡区就是为了减小甚至克服界面过渡区对混凝土性能的影响，同时对界面过渡区的研究，也是为了建立起混凝土宏观性能与微观结构之间的联系，从而进一步提升混凝土的各项性能。因此，本文分别从宏观和微观两方面介绍了近几年的国内外的研究进展。

1 界面过渡区的显微硬度

研究表明在混凝土的拌制过程中，因混凝土内部的微观泌水效应和宏观泌水作用以及骨料自身的重力作用使得骨料四周的水分分布不均匀，进而影响界面过渡区的均匀性。佘安明等[10]对不同养护条件的混凝土界面过渡区进行了研究，结果表明干燥条件下养护的混凝土界面过渡区的厚度要比标准养护条件下的混凝土界面过渡区的厚度要大，同时界面过渡区的显微硬度也降低。随着科技的进步，对界面过渡区的空间尺度和显微硬度测试的方法也有所不同，目前常利用的是背散射电子图像结合纳米压痕技术进行定量研究，而界面过渡区的力学性能则通过弹性模量以及显微硬度进行研究。Wang 等[11]对不同水灰比的混凝土加入硅灰后对混凝土界面过渡区的影响进行了研究，试验表明，相同水灰比时随着硅灰的加入，界面过渡区的力学性能逐渐降低。何智海等[12]研究了不同掺合料对混凝土界面过渡区的影响，研究表明，同时掺加偏高岭土和石灰石的混凝土界面过渡区厚度减小，同时弹性模量也减小，但掺加粉煤灰的混凝土界面过渡区弹性模量增大。研究界面过渡区得到的结论除了受原材料的组成、配合比以及养护条件等的影响，同时也与试样的制备方法、观测方法以及所采用表征界面过渡区微观性能的方法有很大的关系。陈惠苏等[13-14]发现，采用截面法研究界面过渡区厚度时，得到的表观界面过渡区厚度一般大于实际界面过渡区厚度，具体放大倍数与集料的形状密切相关。可见影响界面过渡区空间尺寸的因素很多，因此定量描述界面过渡区空间尺度时，详述其实验条件以及测试方法，对对比界面过渡区厚度有较大的参考价值。

2 孔隙率

研究表明，混凝土中界面过渡区孔隙率比硬化水泥浆体高，是造成混凝土与净浆性能差别的关键因素之一[15]。混凝土在振捣过程中，由于各组分密度的不同，在自身重力作用下会出现分层现象，同时大粒径下方更容易形成水囊，这就是“微泌水效应”[16]。微泌水效应会造成集料特别是粗集料下方水灰比增大，孔隙率升高，因此同一集料周围界面过渡区具有不均匀性。Goldman 等[17]研究了水灰比以及集料粒径对集料周围孔径率的影响，试验表明了水灰比为 0.2、集料粒径为 5mm 时，集料上、下表面的孔隙率有明显的区别。陈露一等[18]对混凝土界面过渡区的不均匀特性进行了研究，结果表明骨料四周的显微硬度有明显的差异，集料上表面的显微硬度最大，同时发现水灰比对界面过渡区也有一定的影响，降低水灰比会对界面过渡区有一定的改善效果但改善效果不明显。同时，Basheer 和 Razak 等[19-20]通过研究认为宏观泌水效应对表层混凝土的孔隙率也有一定的影响。不同集料 ITZ 孔隙率也有所不同，这与骨料形状、表面结构有关，Bourdette等[21]认为孔隙率随时间的变化主要与离子扩散迁徙相关。

3 骨料、掺合料对界面过渡区的影响

骨料与界面过渡区的性能密切相关，即骨料对混凝土的力学性能以及耐久性能也有很大的影响。Elsharief 等[22]对骨料尺寸对界面过渡区的影响进行了研究，结果表明在相同水灰比的条件下，2 种不同粒径的骨料中，小尺寸骨料与浆体的界面过渡区未水化的水泥颗粒更多、孔隙率更低，同时发现随着水灰比的降低，2 种尺寸骨料与浆体界面处的孔隙率都有不同程度的降低。董华等[23]研究了因泌水造成混凝土不同尺寸骨料下方界面过渡区性能的差异。研究发现，随着骨料尺寸的增大，ITZ 未水化水泥颗粒更少、孔隙率更大、Ca(OH)2更多。郑克仁等[24]研究了矿渣取代水泥时的混凝土中界面过渡区的纳米压痕硬度和弹性模量分布，研究表明随矿渣取代水泥质量分数的增加，基体与界面过渡区之间压痕硬度、弹性模量的差值降低，从而使界面过渡区得到强化。尚建丽等[25]研究了普通碎石混凝土和钢渣混凝土的界面过渡区的结构和形态，研究表明，钢渣表面粗糙多孔，水泥浆体能够紧密包裹钢渣；钢渣混凝土的界面过渡区厚度约为 40μm，略低于普通混凝土的界面过渡区的 50μm。Qina 等[26]不同粗骨料的混凝土界面过渡区的性质，结果发现大理石粗骨料混凝土的界面过渡区 Ca(OH)2含量更多，砂岩粗骨料混凝土的界面过渡区气孔率更高，这与砂岩自己的多孔结构有关，因此砂岩混凝土具有较差的机械性能和高渗透性。石研等[27]对比研究了玄武岩、砂岩和灰岩对界面过渡区的影响。通过实验发现在界面过渡区 Ca(OH)2富集程度为：砂岩＞玄武岩＞灰岩，界面过渡区的厚度为：砂岩＞灰岩＞玄武岩，砂岩界面性能最弱。

4 界面过渡区对混凝土宏观性能的影响

同时也有许多学者对界面过渡区对混凝土宏观性能的影响也进行了研究，Lee 等[28]利用数值积分建立了三相的混凝土细观结构模型，又通过有限元法研究了界面过渡区的体积和弹性模量对混凝土力学的影响。Costa 等[29]研究了界面过渡区对混凝土材料气体渗透性能的影响。Liu 等[30]利用 3D 模型与实验结果进行对比，发现了集料形状及界面厚度对混凝土传输性能有影响。Care[31]和 Zheng[32]探讨了界面过渡区梯度对混凝土传输性能的影响，并将集料体积分数、界面过渡区的氯离子渗透系数、界面空间尺度、最大集料粒径、骨料级配等于混凝土氯离子渗透参数建立等式关系，研究混凝土抗氯离子渗透性能。

5 结语

界面过渡区是对混凝土材料影响较大的区域，对混凝土的强度、耐久性各种性能都有很大的影响，本文主要谈论了近几年界面过渡区显微硬度、孔隙率以及骨料对界面过渡区的影响的研究，只有充分了解界面过渡区才能克服界面过渡区从而进一步提高混凝土的性能。

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Development on interfacial transition zone

Ma Yuxiang, He Hang
(Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000)

Concrete Interfacial Transition Zone (ITZ) is the interface between the cement paste and the aggregate in concrete, and has a critical effect on the properties of the concrete. Based on the existing studies, the microhardness, porosity and the influence of aggregates on the interface transition zone were summarized.

concrete; interfacial transition zone; aggregate

马玉祥（1992—），男，硕士研究生，研究方向为新型建筑材料。