摘要:在新拌混凝土制備過(guò)程中，因混凝土內(nèi)部的微泌水效應(yīng)和宏觀泌水作用會(huì)對(duì)處于不同位置的骨料周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)產(chǎn)生水分的不均勻分布，進(jìn)而影響界面過(guò)渡區(qū)的均勻性。利用顯微硬度測(cè)試技術(shù)研究了混凝土界面過(guò)渡區(qū)的不均勻特性。結(jié)果表明，單骨料上、下以及側(cè)面等不同界面處顯微硬度值存在較大差別，其中上界面顯微硬度值最大。表層骨料周?chē)缑孢^(guò)渡區(qū)寬度略大于內(nèi)部骨料界面過(guò)渡區(qū);硅灰的摻加能明顯改善混凝土界面過(guò)渡區(qū)的不均勻性。

關(guān)鍵詞:界面過(guò)渡區(qū);不均勻性;顯微硬度;硅灰

混凝土界面過(guò)渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，它在混凝土內(nèi)部是一個(gè)不均勻體系，它能影響到整個(gè)混凝土構(gòu)件的宏觀力學(xué)性能。界面過(guò)渡區(qū)的不均勻性是由結(jié)構(gòu)內(nèi)部宏觀和微觀層面上的泌水共同作用引起的。Ol2livier，Scrivener和張承志等學(xué)者均通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了混凝土制備過(guò)程中微泌水作用引起了內(nèi)部骨料的界面過(guò)渡區(qū)的不均勻性，且單個(gè)骨料不同方向上的界面過(guò)渡區(qū)也是不均勻的^[1-5];Basheer和Razak等學(xué)者認(rèn)為表層混凝土是一個(gè)高度不均勻體系，該體系的形成是由混凝土制備過(guò)程中宏觀泌水作用引起，表層混凝土的界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)存在孔隙分布的梯度^[6，7]。因此，混凝土在制備過(guò)程中的泌水作用會(huì)導(dǎo)致混凝土表層和內(nèi)部骨料以及單個(gè)骨料的界面過(guò)渡區(qū)性能均存在較大差別。作者利用顯微硬度測(cè)試技術(shù)，綜合分析研究表層和內(nèi)部混凝土界面過(guò)渡區(qū)的整體不均勻性。測(cè)試混凝土不同位置骨料周?chē)鹘缑孢^(guò)渡區(qū)的硬度值，探討界面過(guò)渡區(qū)的不均勻特性以及水灰比、硅灰對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥為華新P.O42.5級(jí)水泥，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。硅粉為挪威?？瞎咎峁┑陌刖奂瘧B(tài)硅微粉;集料為16.5—19.6mm近似圓粒狀石灰?guī)r，用水清洗表面并烘干;水為飲用自來(lái)水;減水劑為江蘇鎮(zhèn)江特密斯混凝土外加劑廠生產(chǎn)的水溶性氨基磺酸鹽高效減水劑，固含量33%，減水率25.5%。

1.2試件制作及養(yǎng)護(hù)

試件配合比見(jiàn)表2，按配合比均勻混合原材料，加水拌勻，將拌好的混合料裝入鋼模，置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)20s，刮平。于室內(nèi)靜置24h后脫模，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d。每組配合比制備150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件。

1.3測(cè)試方法

1)顯微硬度試樣制備和測(cè)試采用裝有金剛石刀片的切割機(jī)將試件沿成型方向切出厚度約10mm的片狀試樣。選取試樣待測(cè)面，放于磨樣機(jī)上依次用400號(hào)，600號(hào)和1200號(hào)研磨劑(剛玉)進(jìn)行逐層研磨，然后將試樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光處理得到平整光滑的待測(cè)表面。

2)界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度測(cè)試選取圓度最接近1的骨料顆粒(每塊待測(cè)樣選取表層和內(nèi)部2個(gè)單獨(dú)骨料);分別測(cè)試單個(gè)骨料上，下和側(cè)面(按成型方向劃分)3個(gè)不同部位的顯微硬度值，每個(gè)面沿界面法線方向測(cè)試20點(diǎn)(點(diǎn)之間間隔10μm);混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身在微觀層面上具備不均勻性，故為了測(cè)試出真實(shí)顯微硬度值，選取10個(gè)不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試并取平均。

2結(jié)果與討論

2.1骨料位置對(duì)界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度的影響

圖1給出了A1樣表層以及內(nèi)部骨料周?chē)鹘缑骘@微硬度的分布情況。從圖1中可以看出，內(nèi)部骨料其下界面的過(guò)渡區(qū)均最寬為80—90μm，側(cè)面的過(guò)渡區(qū)寬度次之為60—70μm，上界面過(guò)渡區(qū)寬度最小為40—50μm，且上界面顯微硬度值均明顯高于下界面，側(cè)面顯微硬度值位于兩者之間;表層混凝土界面過(guò)渡區(qū)寬度略大于內(nèi)部骨料。因此，骨料周?chē)缑孢^(guò)渡區(qū)存在明顯的不均勻性。

不均勻性的產(chǎn)生，主要是骨料近界面區(qū)存在水分分布的不均勻性導(dǎo)致。混凝土在制備過(guò)程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部在微觀層面上會(huì)產(chǎn)生泌水作用，這些水分在振搗的作用下向上運(yùn)動(dòng)，而水泥顆粒因重力作用向下運(yùn)動(dòng)，而骨料對(duì)水的運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，使水在集料下方形成水囊，導(dǎo)致骨料下方局部區(qū)域水分分布較多，水灰比增大。相反，骨料上方不可能有水囊形成，骨料上方區(qū)域內(nèi)的微量泌水且由于骨料阻礙了水泥顆粒的向下運(yùn)動(dòng)，在骨料的上方形成堆積，導(dǎo)致骨料上方局部區(qū)域水分分布較少水灰比降低。這是促使骨料上下界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)顯微硬度存在較大差別的根本原因。骨料側(cè)面區(qū)域?qū)λ趾退囝w粒的運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，因而其界面過(guò)渡區(qū)性狀的產(chǎn)生主要是由顆粒在骨料界面處堆積性能(即墻效應(yīng))所致。試件表面的表層骨料周?chē)缑孢^(guò)渡區(qū)比內(nèi)部骨料周?chē)缑孢^(guò)渡區(qū)寬，主要是因?yàn)檎駝?dòng)過(guò)程中的宏觀層面的泌水作用，使得更多的水分集中到混凝土的表層致使表層混凝土含水量偏高，骨料界面處形成的水囊更大，水灰比更大，導(dǎo)致最終表層骨料界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)更加疏松，界面過(guò)渡區(qū)寬度變大。

2.2水灰比對(duì)界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度的影響

圖2給出了A2樣表層以及內(nèi)部骨料周?chē)鹘缑骘@微硬度的分布情況。從圖2中可以看出:無(wú)論內(nèi)部還是表層骨料下界面過(guò)渡區(qū)寬度均減小至60—70μm，側(cè)面過(guò)渡區(qū)寬度內(nèi)部骨料為50μm，表層骨料為60μm，均較A1樣有明顯減小，然而上界面寬度仍為40—50μm之間;骨料上下界面顯微硬度差值亦表現(xiàn)出明顯減小，A1樣內(nèi)部骨料差值為4.7MPa，表層骨料差值為5.8MPa，A2樣內(nèi)部骨料差值為3.5MPa，表層骨料為4.5MPa，分別減小了1.2MPa和1.3MPa。

可以看出水灰比的減小可以改善界面過(guò)渡區(qū)。水灰比的減小導(dǎo)致單位體積內(nèi)水泥顆粒量增大，水的量減小，因而在振搗過(guò)程中，內(nèi)部微泌水作用不明顯，水分的上移作用也相對(duì)較小，在骨料下界面處形成的水囊會(huì)比水灰比為0.42的A1樣小，骨料表層的水膜厚度也相應(yīng)減小，因而下界面和側(cè)面的寬度比A1樣略小，且下界面顯微硬度值有略微增大;然而上界面在振搗過(guò)程中阻礙了水泥顆粒的向下運(yùn)動(dòng)，使得水泥顆粒在骨料上界面處的堆積為最緊密狀態(tài)，水分的分布狀態(tài)對(duì)水灰比改變的敏感性較小，骨料上界面顯微硬度分布變化不大，界面寬度不變。內(nèi)部微泌水作用的減小，導(dǎo)致最終骨料界面處水分分布梯度減小，單骨料周?chē)鹘缑嫣幩址植紶顟B(tài)差異性減小，各界面顯微硬度呈現(xiàn)均衡的趨勢(shì)。

水灰比的減小能導(dǎo)致新拌混凝土宏觀泌水作用的減小。在振搗過(guò)程中，新拌混凝土內(nèi)部微泌水量的減少，使得上移至表層的水的量減少，致使表層混凝土水灰比和內(nèi)部混凝土的差別減小，表層骨料各界面顯微硬度值和內(nèi)部骨料的差別呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2.3硅灰對(duì)界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度的影響

圖3給出了A3樣表層以及內(nèi)部骨料周?chē)鹘缑骘@微硬度的分布情況。從圖3中可以看出，界面過(guò)渡區(qū)的寬度均減小20—40μm，而且上、下界面以及側(cè)面的顯微硬度值的分布呈現(xiàn)較為相同的趨勢(shì)。內(nèi)部骨料和表層骨料的不同界面顯微硬度差值分別減小至1.5MPa和0.9MPa，均遠(yuǎn)小于A1和A2樣的差值。

可以看出硅灰的加入大大地改善了界面過(guò)渡區(qū)的不均勻性。在混凝土制備過(guò)程中，水泥顆粒的分布密度在緊貼骨料處幾乎為0，骨料界面處水泥顆粒不能分布的地方均被水占據(jù)。然而硅灰的平均粒徑小于0.1μm，比水泥顆粒細(xì)2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此硅灰在成型過(guò)程中能很好地填充于骨料界面處，占據(jù)原先水泥顆粒分布為0的地方，使分布密度增大，硅灰在骨料界面處的分布較大地減少了骨料界面處滯留的水量，因而能減小界面過(guò)渡區(qū)的寬度。

硅灰在細(xì)度上良好的優(yōu)越性促使其能較好地堆積在骨料表面，增加了界面處的密實(shí)程度，使膠凝材料在骨料界面處的分布均勻化，最終導(dǎo)致水在界面處的分布更加均勻(水分分布梯度減小)，最終使界面過(guò)渡區(qū)趨于完善，消除了單骨料上下界面處的差別。硅灰的加入大大地減小了新拌混凝土宏觀泌水作用，使表層混凝土和內(nèi)部混凝土水灰比差別更小，水分在表層和內(nèi)部的分布更加均勻，表層和內(nèi)部骨料周?chē)鹘缑嫣幍娘@微硬度值差別很小。同時(shí)在摻加硅灰的試樣中，在新拌階段無(wú)論微觀還是宏觀層面上的泌水作用均非常小，使水分無(wú)論在哪個(gè)層面上的分布都是均勻的，導(dǎo)致最終的顯微硬度值分布均勻，差別較小。

3結(jié)論

a.新拌混凝土在制備過(guò)程中引起的微觀和宏觀泌水作用可在骨料界面處產(chǎn)生水分分布梯度(不均勻性)，并最終導(dǎo)致硬化后混凝土界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)存在較大差異。宏觀泌水作用使表層骨料界面過(guò)渡區(qū)各部位具有高度不均勻性，且和內(nèi)部骨料周?chē)缑娲嬖谳^大差異。

b.水灰比對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)有一定影響，水灰比的降低能減小骨料界面處水分分布梯度，減小界面過(guò)渡區(qū)的寬度，改善界面過(guò)渡區(qū)的不均勻性，但其改善效果不顯著。

c.硅灰能顯著地減小泌水作用，使骨料周?chē)址植稼呌谄胶?，單骨料周?chē)煌缑鎱^(qū)顯微硬度值分布相近，差別較小，表層和內(nèi)部骨料周?chē)缑娌町愝^小。

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