混凝土集料-浆体界面过渡区微观结构表征技术综述

硬化混凝土由集料、界面过渡区和水泥浆体三个部分组成。其中集料一浆体界面过渡区被认为是混凝土中最薄弱的环节。界面的表征手段对界面研究极其重要,在理解界面的性质、特征等方面起到了很大的作用;界面问题研究的深入,与研究方法的不断更新有密切关系。本文归纳了界面过渡区微观结构特征,并在此基础上结合界面过渡区微观结构具体的研究对象,对表征ITZ的试验技术进行了评述,指出界面研究的一些潜在的方法。     

水泥混凝土浆体 集料界面区结构与性能

混凝土浆体-集料界面区结构与性能影响混凝土的整体性能,是混凝土材料研究的热点之一。针对水泥混凝土浆体-集料界面区结构与性能特点,从混凝土界面区结构、性能、研究手段、改善方法及其对水泥混凝土性能影响等方面,综述了国内外水泥混凝土浆体-集料界面区结构与性能研究进展。总结了界面区结构特征与性能影响因素及微观和宏观两种界面区研究手段,分析界面区结构与性能差异原因及对混凝土整体性能影响程度,概括了矿渣粉和偶联剂等无机和有机两类界面区结构与性能改善方法,最后,提出混凝土界面区结构与性能研究重点和方向。     

再生细骨料及其混凝土的微观结构特征

采用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射、显微硬度和氮吸附等微观测试方法研究了再生细骨料及其混凝土的微观结构特征.研究结果表明:再生细骨料是一种组成复杂的、具有一定水化活性的和高渗透性的人造骨料,其主要矿物相为SiO2、CaCO3以及少量的C2S.再生细骨料混凝土内部水泥石孔隙较多,结构密实性较差,同时其与再生细骨料间存在较为明显的界面过渡区,该界面过渡区宽度较大,且界面过渡区两侧的骨料和水泥石的显微硬度均较低.再生细骨料的多孔结构,以及再生细骨料混凝土内部水泥石和界面过渡区微观结构缺陷是导致其大孔增多的主要原因,大孔的增多会对混凝土抗渗性产生不利影响.     

硅灰裹石对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

使用测长法研究了硅灰裹石对混凝土试样抗硫酸盐侵蚀性能的影响,揭示了渗透性在混凝土硫酸盐侵蚀中的作用。研究结果表明：混凝土中水泥浆体与集料之间的界面过渡区是硫酸盐侵蚀的薄弱区域;集料含量增加,即界面区含量愈多,试样的抗硫酸盐侵蚀性能愈差。采用硅灰裹石处理集料可以大幅度地提高混凝土试样的抗硫酸盐侵蚀能力。     

轻集料与水泥石界面区元素分布特征研究

研究了高强页岩陶粒与水泥石及其界面区的元素分布特征，探测出界面区宽度约为20～30μm，研究表明界面区Ca^2 向轻集料方向迁移、轻集料内水分向界面区扩散，结果使得界面区的硅钙比较基体小，结构较基体密实，显微硬度较基体大；分析了粉煤灰、矿渣对两相界面组成、结构与性能的影响规律，结果表明随着粉煤灰、矿渣的掺入，界面区硅钙比增大，界面区水泥石的孔隙率和平均孔径显著降低，显微硬度提高，界面得到增强。     

水泥混凝土浆体-集料界面过渡区结构与性能试验技术

水泥混凝土浆体—集料界面过渡区结构与性能影响混凝土的整体性能,其试验技术的合理采用关系到对其结构与性能的正确测试与评价.针对水泥混凝土浆体—集料界面过渡区结构与性能特点及其对混凝土整体性能影响,论述了当前国内外有关其研究的试验技术.界面过渡区结构试验技术包括宏观技术、微观技术和模拟技术;性能试验技术集中于力学性能和耐久性能两方面;而界面过渡区力学性能和耐久性能试验技术亦是当前界面过渡区对混凝土性能影响试验技术的焦点;最后指出当前试验技术存在的问题,提出新试验技术发展的重点.     

微膨胀钢壳沉管自密实混凝土的设计

钢壳混凝土沉管隧道采用低水胶、胶凝材料用量大的自密实混凝土引起的早期收缩大,容易造成钢壳与混凝土脱空。以深中通道采用的双层钢壳内部填充自密实混凝土设计为背景,配制钢壳沉管自密实微膨胀混凝土以解决此问题。在优化配比的基础上,研究了单掺和复掺矿物掺合料对C50自密实混凝土的工作性能、力学性能和变形性能的影响。得出采用大掺量粉煤灰(42%)与小掺量矿粉(18%)复掺,总胶凝材料为550kg/m3,水胶比控制在0.31,砂率为50%,制备出满足力学性能要求且有效应对钢壳沉管自密实混凝土工作性能要求的低收缩的C50自密实混凝土;同时,采用内养护剂与氧化镁复合膨胀剂复掺技术对自密实混凝土进行收缩调控,内养护剂和氧化镁复合膨胀剂复合作用下对自密实混凝土具有良好的协同膨胀效应。SEM与MIP分析表明,内养护材料界面区形成了致密水化层,降低了界面过渡区孔隙率,显著改善水泥基体的微观结构,可以有效地对C50钢壳沉管混凝土进行收缩调控。     

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO₂扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO₂反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO₂的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO₂在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。     

抛填骨料路面混凝土的研究

通过在路面混凝土中抛填一定量的粗集料,制成粗集料嵌锁型路面混凝土,并对其力学性能以及界面过渡区的显微硬度分布进行了研究。结果表明:抛填粗集料后,路面混凝土的7 d和28 d抗折强度有所提高,7 d和28 d抗压强度有显著提高,粗集料抛填量为8%～10%时强度达到最大值;掺粉煤灰的混凝土抛填骨料后强度有明显增加;抛填骨料路面混凝土的收缩率显著降低,弹性模量有所提高,显微硬度测试表明抛填骨料表面的界面过渡区比普通集料窄,且显微硬度更高。由此可见抛填干燥的骨料会吸收浆体水分,增强界面过渡区,有利于提高混凝土的性能。     

负载纳米TiO2石英砂功能集料-水泥石的界面粘结性能

光催化水泥基材料是先进建筑功能材料的研究热点之一,但传统内掺法制备的TiO₂-水泥基复合材料中TiO₂有效利用率低、经济效益差。针对此问题,采用负载法制备纳米TiO₂功能集料（QST）,并将QST集料负载于普通水泥砂浆表面。研究QST集料对水泥砂浆干缩性能的影响,通过拉拔法测试QST集料与水泥石的界面粘结力;采用SEM、EDS、MIP等微观测试方法,研究纳米TiO₂对集料-水泥石界面过渡区水化产物、孔结构的影响。结果表明：与普通石英砂集料相比,表面负载纳米TiO₂的石英砂功能集料可减少水泥砂浆的干缩,提高集料-水泥石的界面粘结力。在QST集料-水泥石的界面过渡区,纳米TiO₂促进了水泥浆体的水化,减少了界面过渡区Ca(OH)₂的富集,细化并改善了界面过渡区的孔结构。     

水泥基复合材料界面过渡区体积分数的定量计算

为了计算水泥基复合材料的界面过渡区体积分数,采用最邻近表面分布函数和骨料比表面积2种方法,结合实际骨料的筛分曲线,给出了界面过渡区体积分数定量关系式．结果表明：单位体积水泥基复合材料中,当骨料的体积分数〈0．5,界面厚度〈50μm时,2种方法计算的误差约为10％;界面区厚度越小,2种方法计算的误差也越小．     

Modeling and Software Development of the Interfacial Transition Zone of Ellipsoidal Aggregate in Cement-Based Composites

The interfacial transition zone(ITZ) between the aggregates and the bulk paste is the weakest zone of ordinary concrete, which largely determines its mechanical and transporting properties. However, a complete understanding and a quantitative modeling of ITZ are still lacking. Consequently, an integrated modeling and experimental study were conducted. First, the theoretical calculation model of the ITZ volume fraction about the rotary ellipsoidal aggregate particles was established based on the nearest surface function formula. Its calculation programs were written based on Visual Basic 6.0 language and achieved visualization and functionalization. Then, the influencing factors of ITZ volume fraction of the ellipsoidal aggregate particles and the overlapping degree between the ITZ were systematically analyzed. Finally, the calculation models of ITZ volume fraction on actual ellipsoidal aggregate were given, based on cobblestones or pebbles particles with naturally ellipsoidal shape. The results indicate that the calculation model proposed is highly reliable.     

Investigation of the Interfacial Transition Zone between Aggregate-Cement Paste by AC Impedance Spectroscopy

Three different types and sizes of coarse aggregate were chosen,and the alternating current(AC) impedance of cement paste samples with and without aggregate was measured at different curing ages.Based on Song's equivalent circuit model,the electrical properties from the AC impedance results were obtained,and the resistance of connected pores RCCP was used to characterize the microstructure of the interfacial transition zone(ITZ).The results show that the RCCP of concrete sample with aggregate is lower than that of cement paste sample,which indicates that the introduction of aggregate in cement paste makes the ITZ porous.Furthermore,for the same type of aggregate,an increase in particle size leads to a more porous ITZ,which accounts for the "water effect" and a larger aggregate would accumulate a thicker water film around it.In addition,for the same size of aggregate,the physical interaction between aggregate and cement paste is dominant in early age,and the microstructure of the ITZ around limestone aggregate is denser,which mainly depends on its rough surface and high water absorption.However,the microstructures of the ITZ around granite and basalt aggregates are denser in later age,which may be due to their higher chemical activity,and the chemical interaction between them and cement paste resulting in the generation of more hydrates.AC impedance spectroscopy thus proves to be powerful for evaluation of the microstructure of the ITZ.     

Quantitative Analysis and Affecting Factors of the Overlapping Degree of Interfacial Transition Zone between Neighboring Aggregates in Concrete

Based on the nearest surface function formula, a quantitative formula to measure the overlapping degree between the interfacial transition zone (ITZ) of neighboring aggregate particles was put forward. The formula was further deduced to quantitatively analyze the influence of the volume fraction of aggregate, ITZ thickness and the maximum aggregate diameter on the overlapping degree between neighboring ITZ. The volume of ITZ was quantitatively calculated in actual concrete by comparing the nearest surface f...     

老混凝土中骨料-水泥界面过渡区(ITZ)(Ⅰ)——元素与化合物在ITZ的富集现象

利用扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPXM）和电子能谱（EDXA）对骨料颗粒和水泥浆体界面过渡区（ITZ）进行了研究，研究的重点是老混凝土中骨料－水泥界面过渡区的微观结构特征和成份分布，结果表明，老混凝土由于在成熟度高，其ITZ中水化物十分丰富，密实度高。ITZ内部和外部的水化产物组成存在一定的差别，表现在Ca,K和Fe等元素富集于ITZ，而Si元素在此区域的含量相对较低，对于特定的元素或物质在ITZ中的富集现象的研究，有助于提高对混凝土材料稳定性的认识。     

混凝土界面过渡区不均匀特性研究

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。     

混凝土界面体积百分比的计算方法

讨论了混凝土界面体积百分比的计算.根据混凝土细观结构模拟技术,提出了混凝面体积百分比的计算方法.计算结果表明,对于给定的骨料体积百分比,界面体积百分比着骨料最小直径的减小而增大;对于给定的骨料最小直径,界面体积百分比随着骨料体积百分比的增大而增大.基于这些模拟结果,给出了界面体积百分比的计算公式.