砂浆-骨料界面过渡区的力学性能研究综述

总结了目前国内外研究砂浆-骨料界面过渡区力学性能的主要试验方法和相应的成果,并对相关的数值模拟也进行了阐述。通过分析目前针对界面过渡区力学性能的直接拉伸试验、劈裂试验、剪切试验,指出数值模拟的本构模型及模型参数的选取都应基于有关的试验结果,提出试验的必要性,并对今后需要开展的相关工作进行阐述。

含界面过渡区随机分布多边形骨料沙漠砂混凝土高温后抗压强度研究

为研究试件尺寸、界面过渡区(ITZ)厚度及强度、沙漠砂替代率(DSRR)对沙漠砂混凝土(DSC)经历高温后抗压强度的影响,将DSC看作三相复合材料,建立含ITZ随机分布多边形骨料有限元模型,利用ANSYS对高温后DSC单轴受压破坏过程进行数值模拟。结果表明:模拟结果与试验结果误差在-2.59%~3.13%,吻合良好。高温后DSC抗压强度随试件尺寸增大而减小,强度下降范围为1.44%~4.13%;抗压强度随ITZ厚度增加呈逐渐减小趋势;随着ITZ强度增加,抗压强度基本呈线性增大趋势;抗压强度在DSRR为40%时最优,研究结果可为DSC工程应用提供理论依据。

骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响

为研究骨料强化方法对再生混凝土中界面过渡区微观结构的影响,采用显微硬度和背散射图像测试的方法,研究骨料整形,硅酸钠溶液浸泡,水泥-粉煤灰、水泥-矿渣和水泥-硅灰裹浆等骨料强化方法对再生混凝土中的旧骨料-新浆体、旧骨料-旧浆体和新浆体-旧浆体之间的3种界面过渡区的显微硬度、界面宽度以及微观形貌的影响。研究结果表明:骨料强化能够提高界面过渡区的显微硬度,降低界面过渡区的宽度,从而改善界面过渡区;骨料整形去除了再生骨料表面的旧浆体,增大了旧骨料与新浆体的接触面积;硅酸钠溶液浸泡通过水玻璃及其水解产物与旧浆体中水化产物之间的化学反应,提高了界面过渡区的密实度;火山灰材料的火山灰效应和填充效应填充了界面过渡区中的孔隙,提高了界面过渡区的密实度。相比于未处理组,水泥-硅灰组旧骨料-新浆体、旧骨料-旧浆体和新浆体-旧浆体界面过渡区的显微硬度平均值分别增大了38.7%,63.1%和52.6%,宽度分别减少了40%,46.2%和45.5%。背散射分析表明,骨料强化后再生混凝土界面中的未水化水泥颗粒和孔隙减少,界面过渡区的宽度较低,界面过渡区变密实。研究成果可为再生骨料强化方法的优选,以及再生混凝土性能的提高起到积极的作用。

人造骨料表面改性改善混凝土界面过渡区性能研究

针对混凝土用人造骨料表面疏松多孔和水泥浆体结合能力不足的问题,提出包覆和表面疏水特性修饰的新方法处理人造骨料。试验将不同质量分数的硅烷偶联剂溶液与有机硅树脂联合改性应用于碳化养护的人造骨料,研究改性方法对人造骨料吸水率、颗粒强度、骨料-水泥砂浆黏结强度等性能的影响规律,利用细观/微观测试分析方法表征改性前后人造骨料的微观结构以及人造骨料与水泥砂浆的界面形貌。结果表明,较单一使用化学溶液改性人造骨料,联合改性方法可显著优化人造骨料的表面微观结构,提升骨料性能,骨料吸水率可降低至1.74%。当硅烷偶联剂质量分数为5%时,人造骨料表面形成厚度合适的改性层,人造骨料与水泥砂浆的结合程度显著提升。

界面键合对地聚合物-骨料性能影响的分子模拟

界面键合方式是影响地聚合物与二氧化硅骨料界面特性的核心因素.通过分子动力学模拟,建立了3种界面键合方式的复合模型,并探究了其对界面结构及界面力学的影响.结果表明:界面化学键涵盖Si—O—Al键、Si—O—Si键及Na—O键;随着界面化学键浓度的增加,界面过渡区的宽度不变,密度增大,界面相互作用增强;界面处共价键贡献的能量是地聚合物与骨料结合的主要能量,共价键含量的增加显著增强了界面强度;当界面Si—O—Si键浓度超过地聚合物中的Si—O—Si键浓度时,界面不再是强度发展的限制因素.

混凝土中骨料-浆体界面过渡区的力学性能研究综述

列出了国内外交界面过渡区的试验和理论分析的主要成果。对数值混凝土有限元模型中有关交界面单元的力学性能(界面厚度、界面本构关系和随机力学特性等)输入进行了探讨。通过分析目前试验、理论以及数值分析的成果,指出界面力学性能研究还有待于进行更完整、更科学的试验。

不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响

为了探明不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响,试验以再生骨料表面不同的砂浆强度以及附着率作为变量,配置了不同强度等级的再生骨料混凝土,与普通混凝土进行了对比性强度试验以及碳化试验。试验结果表明,高强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制低强度等级的再生混凝土,即再生混凝土内部旧砂浆界面过渡区强度比再生混凝土内部新砂浆界面过渡区强度高时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土强度几乎相同,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土的强度影响不大,但碳化深度有所增大。当使用低强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制高强度等级再生混凝土,也就是再生混凝土内部再生骨料与旧砂浆界面过渡区强度比新砂浆界面过渡区强度低时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土相差较大,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土强度影响较大。

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)和电子能谱仪 (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 。

用SEM和FT-IR研究轻骨料混凝土界面过渡区

通过应用扫描电子显微镜（sEM）和傅里叶变换红外光谱仪（FT—IR），研究了轻骨料混凝土界面过渡区的微观结构特征。重点是研究轻骨料混凝土与普通混凝土在界面过渡区域中微观结构的不同。研究结果显示：①在轻骨料混凝土的界面处，有水泥浆体通过轻骨料表面的孔隙渗人轻骨料中，进入的深度大约为50μm；②轻骨料混凝土界面过渡区的厚度大约为25～30μm。从研究结果来看，将SEM与FT-IR结合使用是一种研究混凝土界面过渡区微观结构的有效方法。

砂浆-花岗岩界面过渡区的劈裂拉伸试验研究

从细观层次看,骨料周围水泥砂浆即所谓的界面过渡区(Interfacial Transition Zone,简称ITZ)的形貌、成分、密度等特征与水泥砂浆基体显著不同。由于ITZ往往被看成混凝土中的"薄弱环节",其性能在很大程度上影响着混凝土的宏观力学性能。本文采用巴西圆盘劈裂法,设计一定宽度的弧形垫条,以形成2α=20°的平台对含界面的砂浆-花岗岩试样进行准静态劈裂拉伸试验。考虑试样的不同直径、不同砂浆强度、不同长径比、不同应变率及花岗岩骨料表面不同粗糙度等多种因素对界面拉伸强度的影响。采用正交分析法对试验数据进行系统分析。同时,在劈裂拉伸试验中,结合散斑图像采集系统对劈裂试验过程中试样表面的图像进行实时采集,从而获得试样在加载过程中的破坏形式与形态。

界面过渡区与骨料特征对混凝土强度及变形影响的数值模拟研究

界面过渡区是混凝土结构中力学性能最薄弱的区域,其强度直接影响混凝土的力学性质,骨料强度及均匀性同样是混凝土结构设计需重点关注的参数。本文基于离散元方法,研究了骨料强度、界面过渡区强度、骨料均匀性及尺寸对混凝土强度及变形的影响规律。结果表明:骨料破碎为试样内部微裂纹的扩展与合并提供了新的路径,大量网状裂隙面的形成加速了试样的破坏;试样的峰值强度及弹性模量随界面过渡区强度的增加呈线性增加趋势,界面过渡区强度的增加可减小试样的径向变形,随界面过渡区强度提高,混凝土应力应变曲线的峰后段逐渐由韧性向脆性转变;骨料强度对峰值强度影响较小,对弹性模量几乎没有影响。骨料均匀性好的试样的径向变形小于均匀性差的试样,试样的峰值强度及弹性模量随骨料尺寸增加而增加,但是增加幅度远低于界面强度对峰值强度带来的提升。

花岗岩-砂浆界面过渡区断裂特性试验

设计制作了花岗岩–砂浆复合试件,通过劈裂试验,研究了砂浆水灰比、粘结面粗糙度和界面剂中硅灰含量对复合试件劈裂抗拉强度的影响,并给出了它们之间的拟合关系。引入复合试件与相同水灰比砂浆试件劈裂抗拉强度的比值,表征界面过渡区的薄弱性。结果表明,复合试件的劈裂抗拉强度明显低于相同水灰比的砂浆基质试件,且与水灰比呈负线性相关关系;增加花岗岩表面粗糙度可以提高复合试件的劈裂抗拉强度,复合试件的劈裂抗拉强度与界面粗糙度呈近似线性关系;界面剂中加入硅灰可以提高复合试件的劈裂抗拉强度,然而过多的硅灰掺量会适得其反,复合试件的劈裂抗拉强度与硅灰含量的关系可以用二次抛物线拟合,最佳硅灰含量约为3%。

聚合物改性水泥砂浆界面过渡区的交流阻抗谱研究

水泥砂浆可视为由水泥浆体、细集料和水泥浆体 -集料界面过渡区 (interfacialtransitionzone ,简称ITZ)所组成 ,聚合物改性水泥砂浆中 ,较小的聚合物颗粒有利于集料表面的紧密堆积 .用交流阻抗方法研究了不同砂子粒径和不同砂子体积分数的聚合物改性砂浆在不同龄期的表现 .结果表明 :交流阻抗方法是研究聚合物改性砂浆界面过渡区发展变化的一种新手段 .聚合物改性砂浆的阻抗谱随龄期延长出现二次明显变化 ,这种特征分别与聚合物在砂浆界面过渡区的聚集、凝结、形成紧密堆积的颗粒结构以及聚合物颗粒相互扩散渗透 ,形成具有一定力学强度的膜的过程有关 .同时 ,聚合物在界面过渡区的成膜情况与砂子粒径及其体积分数有关 。

轻骨料-水泥石界面区微观结构特征

采用扫描电镜、X射线能谱分析、显微硬度等多种测试方法,测定了不同预饱水程度轻骨料-水泥石界面区水化产物的钙硅比、水泥石显微硬度以及孔结构等微观性能参数,研究了轻骨料预饱水程度对混凝土界面区结构与特征参数的影响,并与普通骨料混凝土进行了对比分析.结果表明,随着轻骨料预饱水程度的提高,界面区厚度从30μm增大至60μm左右,距界面20μm范围内其显微硬度降低,而大于20μm处则相反,孔结构呈细化趋势,界面区得到增强,明显优于普通混凝土.

聚合物改性砂浆界面过渡区的电导特性

用交流阻抗谱方法对不同砂子体积分数的聚合物改性砂浆的电导率进行测定。用有效介质理论研究了聚合物改性砂浆界面的电导特性。利用一个将骨料看成非电导球形颗粒的混凝土模型,计算了界面过渡区的电导率与水泥浆基体电导率的比值(σITZ/σm)。计算发现:随着龄期的增加,聚合物改性砂浆的σITZ/σm的比值在最初3d内由5～9迅速降低到3左右,以后基本保持恒定,这与普通水泥砂浆的不同。结果说明:在聚合物改性砂浆中,界面过渡区电导的降低速度比水泥浆基体的快,结合不同聚灰比的聚合物改性水泥浆和乳液成膜过程的电导研究结果发现这是聚合物在界面过渡区的浓度较高和成膜所致。研究结果为聚合物改性砂浆的配置和养护工艺设计提供了依据。

粗骨料对混凝土界面过渡区氯离子扩散性能影响

通过室内干湿循环条件下混凝土中氯离子扩散试验,实测得到6种不同粗骨料体积分数的混凝土试件在不同时刻、不同深度处的氯离子浓度。经回归分析得到了不同粗骨料体积分数下混凝土的氯离子整体扩散系数,其值随粗骨料体积分数的增加而减小。同时,探讨了粗骨料的稀释、曲折和界面过渡区效应对混凝土中氯离子扩散的影响。在此基础上,同时考虑粗骨料体积分数Vf和界面过渡区厚度h的影响系数α(Vf,h),建立混凝土界面过渡区氯离子扩散系数模型,界面过渡区氯离子扩散系数随粗骨料体积分数的增大呈近乎线性地减小,随界面过渡区厚度的增大先显著减小而后逐渐趋于平稳。最后,将建立的界面过渡区氯离子扩散系数模型应用于混凝土中氯离子扩散的三维细观数模中。结果表明:细观数模计算结果与物理试验实测数据在变化趋势和数值大小上均能够吻合,可验证界面过渡区氯离子扩散系数模型的正确性与合理性。

钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的研究

利用显微硬度仪、扫描电镜、能谱分析等微观测试手段,采取对比方法研究了普通碎石混凝土和钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的结构和形态.结果表明:钢渣表面粗糙多孔,水泥浆体能够紧密包裹钢渣;钢渣-水泥石界面过渡区约为40μm,略小于普通碎石-水泥石界面过渡区(50μm),其界面过渡区结构较为致密,因而可形成较强的界面黏结力,配制的钢渣粗骨料混凝土整体强度较高.

骨料粒径对混凝土界面过渡区弹性模量与黏结强度影响预测

由于弹性模量和强度是混凝土力学性能重要指标,而界面过渡区又是混凝土材料组成中的重要一相,因此对界面过渡区的弹性模量和黏结强度的研究十分必要。基于随机骨料模型,根据混凝土试件的真实配合比,计算出各骨料粒径区间的面积含量,对骨料颗粒进行随机投放,分别建立了骨料最大粒径20、40、60、80 mm的凸多边形随机骨料细观模型,以砂浆和混凝土的弹性模量和抗压强度实测值为依据,采用反演法确定界面过渡区的力学参数。数值分析的结果表明:骨料粒径对界面过渡区黏结强度有很大影响,随着骨料粒径的增大,其黏结强度逐渐减小;界面弹性模量随着骨料粒径增加变化很小。

砂浆-骨料界面拉伸软化性能试验

对砂浆-骨料复合试件进行了劈裂试验和三点弯曲试验,基于试验结果和改进的J积分计算方法,提出了砂浆-骨料界面的拉伸软化曲线模型及其表达式。分析结果表明:砂浆基体的特性和粗骨料表面的粗糙度对砂浆-骨料界面的力学性能具有重要影响;界面断裂能随着砂浆基体强度的提高和骨料表面粗糙度的提高而提高;基体为普通强度砂浆的试件断裂多发生在界面附近的砂浆粘结层上;基体为高强度砂浆的试件断裂多发生在砂浆粘结层和砂浆-骨料接合处的粘结层上。

微生物矿化沉积对再生骨料界面过渡区的影响

骨料-水泥浆体的界面过渡区疏松多孔是导致再生骨料与天然骨料性能差异的重要原因。通过试验研究微生物矿化沉积技术对再生骨料界面过渡区性能的影响。使用水泥净浆包裹不同菌种和不同方式处理的再生骨料,养护后破碎获得骨料-水泥界面过渡区,通过SEM观察界面过渡区的微观形貌变化,利用纳米压痕试验测量界面过渡区的弹性模量和硬度,并结合再生砂浆块的抗压、抗折强度试验结果,分析微生物矿化沉积对再生骨料界面过渡区的改善效果。结果表明:再生骨料经假坚强芽孢杆菌和嗜碱芽孢杆菌处理后所制备的再生砂浆块的抗压、抗折强度及再生骨料界面过渡区的弹性模量和硬度均有明显提升,两菌种矿化生成碳酸钙的能力不同造成了性能提升效果的差异。