骨料界面特性对混凝土力学性能的影响

董 芸， 杨华全， 张 亮， 林育强

（1.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；2.长江科学院，湖北 武汉 430010）

界面过渡区（ITZ）是混凝土中的薄弱区域.界面过渡区主要有三大特征［1］：低密度或高孔隙率；大量呈优先取向的氢氧化钙晶体；微裂缝.界面过渡区的微结构对混凝土的强度、变形性能和耐久性有重要影响［2］.界面过渡区的性质除了受水泥用量、品种和性能，掺和料种类、质量和掺加比例，水胶比，养护条件等因素的影响外，还与骨料的特性密切相关.骨料的尺寸、级配、形状、吸水率、化学和矿物组成等对界面过渡区的性能具有非常重要的影响.此外，由于浆体与骨料的弹性模量和线膨胀系数等的差异，使界面过渡区成为混凝土中应力最为集中的区域，因此浆体－骨料界面的特性及其抵抗外力变形的能力在很大程度上决定着混凝土的力学性能和耐久性能.

四川雅砻江锦屏一级水电站大奔流沟砂岩料场部分料层段夹杂有其他岩性的岩石，包括锈染砂岩、锈面砂岩、板岩及大理岩.这些杂质骨料混入混凝土后，将不可避免地对锦屏一级水电站大坝混凝土的性能产生影响.本文采用扫描电镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）、显微硬度（MH）等各种微细观测试手段对以上骨料的界面特性开展了试验研究，同时采用计算机断层扫描成像（CT）技术分析了不同骨料混凝土的细观损伤破坏过程，结合混凝土的抗拉强度，分析不同骨料的界面特性对混凝土力学性能的影响机理.

1 试验原材料

水泥：峨胜42.5中热硅酸盐水泥，其化学组成1）本文所涉及的组成、需水量比、水胶比等均为质量分数或质量比.和物理力学性能见表1，2；粉煤灰：宣威电厂Ⅰ级粉煤灰，需水量比93%；外加剂：北京冶建JG－3缓凝高效减水剂，减水率23.5%，山西黄河HJAEA型引气剂；细骨料：大理岩人工砂，细度模数2.39，石粉含量15%，坚固性5.5%，吸水率0.8%，表观密度2 690kg／m3；粗骨料：分别为砂岩、锈染砂岩、锈面砂岩、板岩及大理岩5种粗骨料，其基本性能见表3，岩相鉴定结果见表4，锈面化学成分分析结果见表5.

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition（by mass）of cement %

表2 水泥的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

表3 粗骨料基本性能Table 3 Basic properties of coarse aggregates

表4 粗骨料岩矿鉴定结果Table 4 Rock－mineral determination of coarse aggregates

续表4

表5 锈面物质的化学成分Table 5 Chemical composition（by mass）of surface rust material %

2 试验方法

将锈染砂岩、大理岩、板岩、砂岩加工成粒径为2.5～5.0mm的较粗颗粒，筛除大理岩人工砂中2.5mm以上颗粒.混凝土中粗骨料与大理岩人工砂的质量比为1∶1，按照粉煤灰掺量35%，水胶比0.30在砂浆8字试模中成型小尺寸混凝土抗拉强度试件，每组6块试件.试件成型后标准养护至28，90d龄期，采用CMT4304型30kN微机电子万能试验机进行8字模抗拉强度试验.

在水灰比为0.30，粉煤灰掺量为35%的搅拌均匀的净浆中，加入颗粒尺寸为2.5～5.0mm，体积分数为40%的不同岩性骨料，成型40mm×40mm×40mm立方体试样，每组3～5块，将其标准养护至28，90d龄期，用切片机切割成10mm厚的正方形薄片，抛光后进行显微硬度测试；同时选取试样中心部位的小碎块用无水乙醇终止水化，在60℃下干燥至恒重，选取含有骨料－水泥浆体界面过渡区的新鲜平整断面用于ITZ水化产物SEM形貌分析和EDS化学成分分析.扫描电镜为日本电子生产的JSM－6610LA型，工作电压20kV，工作距离10mm；显微硬度计为上海联尔试验设备有限公司生产的HVS－1000型数显显微硬度计.

采用Siemens Sensation 40医用螺旋X射线CT扫描仪进行混凝土细观损伤试验.选用锦屏一级水电站大坝四级配强度等级为C18035的混凝土配合比，湿筛筛除大于20mm粒径的粗骨料，成型φ60×120mm的一级配混凝土圆柱体试件（在试件上附加了加载装置），粗骨料分别为锈染砂岩、大理岩、板岩及砂岩骨料.试件标准养护至规定龄期后，首先沿未施加荷载的试件轴心方向等距离选取J1～J7等7个圆形扫描断面进行初次扫描；初次扫描终止后，对试件进行单轴加压，在试件持荷状态下再次进行CT扫描，扫描断面位置不变；逐步增加荷载，进行不同持荷状态下的CT扫描.

3 试验结果及分析

3.1 不同骨料对混凝土抗拉强度的影响

8字模小尺寸混凝土抗拉强度试验结果见表6.由于试验采用的粗骨料尺寸均为2.5～5.0mm，因此骨料级配的影响可以排除，并且骨料粒形的影响也较小，试验结果反映的主要是不同岩性骨料的化学成分、矿物组成及表面织构的影响.由表6可见，锈染砂岩混凝土与大理岩混凝土的抗拉强度相近，但比砂岩混凝土的抗拉强度低3%～4%，板岩混凝土的抗拉强度比砂岩混凝土高8%～10%.

表6 混凝土抗拉强度Table 6 Tensile strength of concrete

3.2 不同骨料界面区的显微硬度

不同骨料界面区显微硬度见图1.由图1可见，随着与骨料界面距离的增加，不同骨料浆体的显微硬度均有增大的趋势.在距骨料界面1 000μm左右时，不同骨料浆体的显微硬度为1 000～2 000.有研究表明，界面过渡区的范围约为50μm，在距骨料界面50μm范围内，不同骨料界面区的显微硬度依次为砂岩＞板岩＞锈面砂岩＞大理岩＞锈染砂岩；锈染砂岩骨料的界面区宽度要明显宽于其他骨料，显微硬度则明显低于其他骨料，在距骨料界面150μm范围内的显微硬度仍然较低.骨料－浆体界面区显微硬度的试验结果离散型较大，这是因为成型方向、样品加工、骨料粒形、骨料间隙器壁作用、漏斗效应［3］等都会改变ITZ的厚度和结构，增加了问题的复杂程度，因此有必要扩大测点数量，使试验结果呈现较好的趋势性.

图1 不同骨料界面区显微硬度Fig.1 Microhardness of ITZ of different aggregate

3.3 不同骨料混凝土的细观损伤破坏

CT技术是无损、定量、动态分析材料内部结构变化的检测技术.该技术依据射线穿过介质的衰减程度正比于介质密度这一原理，获得反映材料内部密度信息的数字图像.CT断层扫描获取的是试件断层区域内线性衰减系数μ（x，y）的二维分布，μ（x，y）与物体的密度直接相关.早期CT技术工作者以水的衰减系数为标准定义了CT数Hp［3］，即：

式中：μm，μw分别为介质与水的衰减系数.

通过式（1）可以得到扫描图像上每个像素点的CT数，而每个CT数对应1个灰度值，如此就形成了1个断层灰度图的数字矩阵.经过三维重构，可以获得整个物体内部的空间组成.有研究表明，混凝土各相介质CT数的阈值分别为：硬化水泥砂浆2 000～2 200，骨料2 200～3 071，界面过渡区1 000～1 600［4］.

本文采用CT在线加载装置，利用CT技术和图像差值法研究了不同骨料混凝土在承荷作用下的损伤演变过程.CT图像差值法是通过对试件同一断面不同应力阶段的CT图像进行差值运算，即相同位置像素点的灰度值直接相减，得到CT图像差值矩阵分布，再将各像素点的灰度差值与相应阈值进行对比，当差值高于设定的阈值时，认为其对应的区域已产生了新的裂纹.根据灰度差值大于阈值的像素点的累计可以计算扫描断面中的总裂纹面积，并可以定位裂纹位置，了解裂纹形态.

90d龄期的不同骨料混凝土在不同荷载条件下产生的裂纹面积比率统计见图2～5.试验结果表明，在试验选取的16MPaⅠ级荷载应力下，板岩混凝土各扫描断面新生的裂纹面积为断面尺寸的0.10%～0.20%，仅J7断面为0.28%，低于其他骨料混凝土；砂岩混凝土各断面裂纹面积平均值与锈染砂岩混凝土相当，但砂岩混凝土各断面的裂纹面积较为平均，而锈染砂岩混凝土各断面的裂纹面积差异较大，其比率在0.20%～0.70%较大范围内变化.当荷载增加到21MPaⅡ级荷载时，混凝土的裂纹扩展，裂纹面积增大.其中板岩混凝土裂纹扩展最快，各断面平均裂纹面积略低于锈染砂岩混凝土，但略高于砂岩混凝土.以上3种骨料混凝土在Ⅱ级荷载应力下，各断面裂纹面积比率均低于1.00%，平均为0.50%～0.60%，说明它们抵抗荷载作用下的裂纹扩展能力较好.试验结果显示，大理岩混凝土的起裂荷载明显低于上述3种骨料混凝土，在Ⅰ级荷载应力作用下，其裂纹面积迅速增长至较高水平，裂纹面积平均为断面面积的2.70%，此后随荷载增加，裂纹缓慢扩展.图6～9显示了经过CT图像差值法处理的不同骨料混凝土在不同荷载作用下的断面裂纹扩展过程.从以上各图可以清晰地看到，荷载作用下混凝土裂纹多数沿着骨料和内部孔洞周边扩展，因此骨料的界面特性对混凝土的强度和抗裂性能有着重要作用.

图2 板岩混凝土各断面开裂面积比率Fig.2 Cracking area proportion of sections of slate aggregate concrete

图3 大理岩混凝土各断面开裂面积比率Fig.3 Cracking area proportion of sections of marble aggregate concrete

图4 锈染砂岩混凝土各断面开裂面积比率Fig.4 Cracking area proportion of sections of rust dye sandstone aggregate concrete

图5 砂岩混凝土各断面开裂面积比率Fig.5 Cracking area proportion of sections of sandstone aggregate concrete

图6 板岩混凝土J5断面在不同荷载作用下的裂纹Fig.6 Cracks of J5section of slate concrete in different loads

3.4 不同骨料界面区的浆体结构和形貌

图7 大理岩混凝土J3断面在不同荷载作用下的裂纹Fig.7 Cracks of J3section of marble concrete in different loads

图8 锈染砂岩混凝土J7断面在不同荷载作用下的裂纹Fig.8 Cracks of J7section of rust dye sandstone concrete in different loads

图9 砂岩混凝土J6断面在不同荷载作用下的裂纹Fig.9 Cracks of J6section of sandstone concrete in different loads

90d龄期的不同骨料界面区浆体和内部浆体水化产物的EDS分析结果见表7，表7中“ITZ－平均”是指通过界面区较大区域内的EDS分析得出的界面区元素平均组成.由表7可见，排除Ca（OH）2晶体富集区的测试结果，骨料界面区浆体的钙硅比明显大于内部浆体.有研究表明，56d龄期后低C3S中热水泥的钙硅比通常为1.5～2.3［5］，而界面区由于钙矾石及Ca（OH）2所占比例较高，因此界面区浆体的钙硅比明显高于内部浆体.不同骨料界面区平均钙硅比依次为锈染砂岩＞大理岩＞锈面砂岩＞板岩＞砂岩.

骨料界面区浆体与内部浆体的微观形貌对比见图10～13.由图10～13可见，骨料界面区浆体结构与内部浆体结构有明显差异，界面区大量生长着长10～20μm的针状钙矾石晶体和层片状Ca（OH）2晶体，浆体多孔疏松，而远离骨料的浆体结构已非常致密，可以看到被致密的Ⅲ型C－S－H凝胶紧密包围的未水化粉煤灰颗粒和结晶良好团聚堆积的Ca（OH）2晶体.同时还可看到，锈染砂岩界面区针状钙矾石晶体所占比例最高，晶体尺寸较大，多呈团聚状堆积；板岩界面区针状钙矾石晶体多呈网状堆积，晶体尺寸较大；砂岩和大理岩骨料界面区的针状钙矾石呈放射状向外辐射延伸，此外大理岩骨料界面区的Ca（OH）2晶体所占比例最高.根据吸附理论［6］，大理岩骨料表面的方解石CaCO3对水泥水化释放出的Ca2＋具有优先吸附作用，因此Ca（OH）2晶体更易在大理岩骨料表面成核生长.另外，EDS分析表明，锈面砂岩界面区针状钙矾石晶体较少，但Ca（OH）2晶体所占比例较高.Ca（OH）2晶体在骨料

界面区的择优定向生长和AFt晶体在界面区杂乱无章的富生长分布显著降低了各骨料－浆体界面结构的致密性，从而削弱了界面区的承载能力.

表7 界面区浆体及内部浆体水化产物EDS元素分析Table 7 EDS elemental analysis of hydration product of ITZ paste and internal paste

图10 板岩混凝土界面区浆体与内部浆体形貌对比（90d）Fig.10 ITZ paste and internal paste of slate concrete at 90d（2 500×）

图11 锈染砂岩混凝土界面区浆体与内部浆体形貌对比（90d）Fig.11 ITZ paste and internal paste of rust dye sandstone concrete at 90d（2 500×）

图12 大理岩混凝土界面区浆体与内部浆体形貌对比（90d）Fig.12 ITZ paste and internal paste of marble concrete at 90d（1 500×）

图13 砂岩混凝土界面区浆体与内部浆体形貌对比（90d）Fig.13 ITZ paste and internal paste of sandstone concrete at 90d（2 500×）

3.5 结果讨论

对骨料界面区的微观结构分析表明，虽然5种骨料界面区的水化产物形态基本类似，但不同骨料界面水化产物的数量、尺寸和生长发育特性均有所不同.这表明骨料岩石的化学成分和矿物组成，以及骨料矿物的表面结构确实影响了骨料－浆体界面过渡区微结构.不同骨料界面区的钙硅比与其显微硬度有着良好的对应关系，钙硅比越高则显微硬度越低，高钙硅比的水化产物中钙矾石晶体和Ca（OH）2晶体含量高，对应结构孔隙率高，从而使其显微硬度低.长针状钙矾石晶体在锈染砂岩表面的簇团生长现象和Ca（OH）2晶体在大理岩骨料表面强烈的择优生长趋势，使锈染砂岩和大理岩骨料界面过渡区增大，界面区强度明显低于其他3种骨料.钙矾石晶体在锈染砂岩表面簇团生长机理还需进一步研究.

大理岩骨料界面区的特性将对混凝土的强度产生不利影响.在受压作用下，大理岩骨料界面区的微裂隙沿骨料界面快速扩展，CT扫描试验表明，在较小的压荷载下大理岩混凝土就会产生较多的微裂纹，起裂强度明显低于其他骨料混凝土，这可能表明层片状生长的Ca（OH）2晶体对界面区强度的影响大于团聚生长的钙矾石晶体.通常认为粗骨料与砂浆间的界面黏结强度对混凝土的弹性模量及抗压强度影响较小，但提高界面黏结强度可以改善混凝土的抗拉强度［7－8］，在受拉作用下，大理岩混凝土的抗拉强度与锈染砂岩混凝土相当，低于板岩与砂岩混凝土.除板岩外，不同骨料混凝土的抗拉强度与骨料界面特性也有较好的对应关系.

4 结论

（1）排除骨料级配对混凝土抗拉强度的影响，板岩混凝土的抗拉强度比砂岩混凝土高8%～10%，锈染砂岩混凝土与大理岩混凝土的抗拉强度比砂岩混凝土的抗拉强度低3%～4%.

（2）锈染砂岩骨料的界面过渡区宽度约150μm，明显宽于砂岩骨料和板岩骨料的界面过渡区（约50μm）.骨料界面区显微硬度依次为砂岩＞板岩＞锈面砂岩＞大理岩＞锈染砂岩.

（3）受压作用下，大理岩混凝土的起裂强度明显低于砂岩、板岩和锈染砂岩混凝土，砂岩混凝土的起裂强度最高.相同荷载条件下，大理岩混凝土的裂纹面积远高于其他骨料混凝土.随荷载增加，板岩混凝土裂纹面积迅速增加，与砂岩、锈染砂岩混凝土在同等荷载条件下的裂纹面积相当.骨料的界面特性对混凝土的强度和抗裂性能有着重要作用.

（4）不同骨料的化学成分和矿物组成影响了界面区水化产物的数量、形态、尺寸和生长发育特性，改变了界面区微结构.长针状钙矾石晶体在锈染砂岩表面的簇团生长现象和Ca（OH）2晶体在大理岩骨料表面强烈的择优生长趋势，使锈染砂岩和大理岩骨料界面过渡区增大，其界面区强度明显低于锈面砂岩、板岩和砂岩；骨料的界面区显微硬度与界面区钙硅比有着良好的对应关系.

［1］ MEHTA P K，MONTEIRO P J M.Concrete：Microstructure，properties and materials［M］.3rd ed.New York：The McGraw－Hill Professional，2006：3－4.

［2］ 陈惠苏，孙伟，STROEVEN P.水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响［J］.建筑材料学报，2005，8（1）：51－61.CHEN Huisu，SUN Wei，STROEVEN P.Review on the study of effect of ITZ on the macro properties of cementitious composite［J］.Journal of Building Materials，2005，8（1）：51－61.（in Chinese）

［3］ 姜袁，柏巍，戚永乐，等.基于CT扫描数据的混凝土细观结构的三维重建［J］.三峡大学学报：自然科学版，2008，30（1）：52－55.JIANG Yuan，BAI Wei，QI Yongle，et al.Reconstruction of 3D model of concrete mesastructure with CT original data［J］.Journal of China Three Gorges University：Natural Science，2008，30（1）：52－55.（in Chinese）

［4］ 刘汉昆，孙超，李杰.基于CT扫描的混凝土三维细观数值模拟［J］.建筑科学与工程学报，2010，27（1）：54－59.LIU Hankun，SUN Chao，LI Jie.Three－demensional mesoscopic numerical simulation of concrete based on CT scan［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（1）：54－59.（in Chinese）

［5］ 陈益民，许仲梓.高性能水泥制备和应用的科学基础［M］.北京：化学工业出版社，2008：244－246.CHEN Yimin，XU Zhongzi.Scientific basis of high performance cement preparation and application［M］.Beijing：Chemistry Industry Press，2008：244－246.（in Chinese）

［6］ 章春梅，RAMACHANDRAN V S.碳酸钙微集料对硅酸三钙水化的影响［J］.硅酸盐学报，1988，16（2）：110－117.ZHANG Chunmei，RAMACHANDRAN V S.Effects of calcium carbonate micro aggregate on the hydration of tricalcium silicate［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，1988，16（2）：110－117.（in Chinese）

［7］ DARWIN D.The interfacial transition zone：“Direct”evidence on compressive response［C］∥Microstructure of Cement－Based Systems／Bonding and Interfaces in Cementitious Materials（MRS Vol 370）.Pittsburgh：Materials Research Society，1995：419－427.

［8］ CHEN Z Y，WANG J G.Effect of bond strength between aggregate and cement paste on the mechanical behaviour of concrete［C］∥Bonding in Cementitious Composites（MRS Vol 370）.Pittsburgh：Materials Research Society，1988：41－48.