0 前 言
当今世界，混凝土材料仍是建筑行业的主流材料。随着微观探索科技的不断进步，越来越多的人从微观角度着手进行混凝土研究。人们由此发现了混凝土界面过渡区的存在。混凝土界面过渡区 (Interface Transition Zone，简称ITZ)是指组成混凝土的不同材料之间的交界区域，该交界区域的性质与混凝土材料中各单一材料性质具有很大差异，所以，混凝土内部材料交界区域的研究是很重要的一个领域。在混凝土应用的早期，人们只关注混凝土的宏观性能，把混凝土看作一种连续均匀的材料，忽略了混凝土内部中各种材料的差异性。随着微观观测技术的发展，人们发现混凝土内部的各种材料的组成并不均匀。各种材料之间的性能差异也很明显。欧阳利军等使用被染色树脂染过色的砂浆与骨料拌和制成混凝土，发现在骨料与水泥浆体之间有一层染色的环状过渡区域，根据这个现象提出了混凝土界面过渡区的概念。
1983年解松善研究混凝土界面过渡区时，从骨料至砂浆的过渡区域，将界面过渡区分为:渗透扩散层、接触层、富集层、弱效应层等4层的微观结构模型。吴中伟院士在研究中凝土界面过渡区微观结构中发现，氢氧化钙和钙矾石含量较多、晶体较大、生长取向明显，水灰比高、孔隙率大，是混凝土中的薄弱点，也是复合材料的基本问题，更是关键问题，决定了复合材料的宏观力学性能。该区域因其独特的内部微观特性被研究者认为是混凝土内部结构的薄弱环节。Hsu等通过测试发现：界面过渡区的强度约为其水泥基抗拉强度的33%～67%。所以说，界面过渡区性能所表现出来的好坏对混凝土的力学性能和耐久性都有着巨大的影响。在国外，界面过渡区的研究起步较早。欧美等一些发达国家在二战后期就开始了对混凝土界面过渡区的研究与开发。并且已经利用扫描电子显微镜观测到的图片绘制出了三维过渡区模型，并利用此模型对混凝土的力学性能和耐久性做出了很大的改善。而在我国，关于混凝土界面过渡区的理论研究虽然取得了一定成果，但仍处于起步阶段。鉴于此，本研究对影响混凝土界面过渡区的因素进行总结，旨在为我国在混凝土界面过渡区方面的理论研究提供参考。
1 界面过渡区的形成机制与特征
一般混凝土的界面过渡区就是指包裹着粗骨料的一块薄薄区域。界面过渡区形成的原因主要是由于骨料的性质与水泥浆体的性质存在着较大的差异，使骨料周围界面过渡区形成一层较水泥浆体相对弱化的过渡界面。目前，国内外主流的一些观点认为混凝土界面过渡区的形成可归结于“单边生长效应”“边界效应”“浆体的收缩效应”“离子的迁移和沉淀成核效应”“絮凝效应”以及“微区泌水效应”等。其中“微区泌水效应”与“边界效应”被大部分学者所接受并验证。
界面过渡区是一层肉眼观察不到的区域，目前人类通过扫描电镜等方法观察到的界面过渡层有许多不同于组成混凝土单一材料的特性。大部分研究人员都认同在界面过渡区内，有着大量定向排列Ca(OH) 2 (以下简写为CH)结晶。过渡范围内，骨料表面充满了定向排列的六方片状的CH结晶体;中间层分布着CH及钙矾石针状晶体(Aft，AFm)及少量的C-S- H凝胶。Bentur通过扫描电子显微镜(SEM)观察到骨料表面存在着厚度大约100μm的特殊区域(及界面过渡区，ITZ)。该ITZ包括两层:一层是在粗骨料表面的双层膜，深度约为1μm。其成分为CH晶体和C-S-H凝胶。另一层是深20～100μm 的多孔过渡层，其中含有较多的CH晶体、部分C-S- H凝胶和少量的钙矾石。因此，Bentur得出的结论是:界面应该包括两个弱面，即粗骨料表面(骨料接触层)和多孔过渡区(或称为基质接触层)。这两个层统称为ITZ。这些薄弱的表面将影响混凝土的耐久性。
2 影响界面过渡区的因素
2. 1 骨料类型对过渡区的影响
骨料(在此指天然矿物骨料)的种类繁多，不同地区的骨料成分有很大的不同。从微观化学键的角度来看，大致可分为两大类:离子键作用和共价键作用。离子键作用就是骨料成分在碱性水泥浆体环境下其离子键发生“断键”，形成C-S-H、CH等产物。这些产物会填充界面过渡区中的孔隙，对界面过渡区起增强作用。共价键作用是指骨料中的成分是以共价键连接在一起，在碱性水泥浆体的环境中不易发生化学键的“断键”。所以以共价键形成的矿物骨料表面不易发生化学反应，其与水泥浆体的结合主要靠接触面机械作用粘结。
从宏观整体角度来看，利用物理破碎的粗骨料表面粗糙，可以产生更大的粘结面，对骨料与水泥浆体的结合面起强化作用。另外，经过物理破碎后的骨料表面活性得到提高，更容易发生化学反应。而卵石类粗骨料表面呈惰性不易发生反应。陈露一等使用显微硬度测试技术发现同一骨料的不同界面处显微硬度值具有较大的差异，这说明骨料本身的形状、大小等都能使混凝土界面过渡区产生不均匀性。
2. 2 胶凝材料和水胶比对过渡区的影响
胶凝材料(在此指的是水泥制品)影响主要从水泥细度、水泥的粒径以及矿物组成成分。当水泥中的C3(3CaO·SiO2)和C3 A(3CaO·AlO3)的含量增加时，生成的CH和Aft也会增多，这会影响界面过渡区的结构和孔隙率。水泥的细度会影响界面过渡区的堆积密度，从而影响界面的微观结构。Stroeven等通过实验模拟显示:胶凝材料中的细颗粒会比较容易地在骨料表面附近堆积。过渡区的厚度会随着胶凝材料的细度增大而减小。胶凝材料的粒径分布不但影响到浆体的稳定性，还会影响到水泥的水化过程以及界面过渡区的微观结构。也有实验证实了随着水胶比的增大，界面过渡区的厚度将会增加并且界面过渡区性能会降低。
2. 3 活性掺合料对界面过渡区的影响
当掺入活性材料时，由于其参加二次水化反应，吸收CH，从而可使界面过渡区的微观结构得到改善。日本的Masao Kuroda、河海大学的蒋林华等、Kangesu Vivekanandam通过实验先后证明了混凝土粉煤灰对界面过渡区的影响，实验表明：粉煤灰对提高界面的粘结强度有着一定作用，除此之外，对界面过渡区厚度扩展可以起抑制作用。黄与舟利用环境扫描电子显微镜来研究混凝土骨料与水泥石界面的关系，其得出了掺入一定量的粉煤灰可以改善混凝土界面过渡区，认为膨胀剂可以起到与粉煤灰相同的作用。所以说通过加入硅粉、粉煤灰等活性掺合料，改善混凝土界面过渡区的同时，也还可以缩小界面过渡区的厚度，使危险界面的范围大大减小。
2. 4 外加剂对过渡区的影响
外加剂的影响主要体现在外加剂的品种和用量不同。某些特殊类型的外加剂如聚合物外加剂中的硅烷偶联剂以及聚乙烯醇，这两者通过偶联作用可以改善浆体与其他材料的粘结强度。通过添加减水剂来打破絮凝的胶凝材料团，从而将包裹在团中的水分释放出来，从而提高界面过渡区的堆积密度。但外加剂添加需要适量，一旦外加剂过量或水胶比过大，都会出现泌水现象，从而使界面过渡区的微观结构会变差。
2. 5 成型工艺对界面过渡区的影响
通过研读大量文献可知，混凝土施工工艺的精准性对混凝土成型之后所表现出来的性质有着巨大的影响。净浆裹骨料工艺是一种有别于传统施工工艺的手法。其过程是先将水泥与水混合，制成低水灰比的水泥净浆，然后在水泥净浆中加入骨料一起均匀搅拌，最后加水到所需的水灰比，然后不断搅匀。利用这种净浆裹骨料手法，不但能让骨料的附近生成一些水化物，还可以让净浆中的水泥微粒和水化产物阻止自由水与骨料表面的直接接触，干扰骨料表面CH的产生。其次，净浆裹骨料工艺还能增加界面附近水泥微粒的数量，也可以增加CSH凝胶。此外，袁民通过实验发现:先搅拌水泥砂浆再进行混凝土搅拌的多步投料工艺可以改善混凝土界面过渡区强度梯度，提高混凝土强度。
3 结 语
通过分析骨料类型、胶凝材料、掺合料、外加剂和制作工艺等因素对混凝土界面过渡区的影响之后，可以看出，混凝土作为一种当今建筑行业应用范围最广、最普遍、最传统的水泥基复合材料，它所表现出来的各种性能并不是简单的各组成成分性能的相互叠加。本质上讲，骨料与水泥浆体之间的界面过渡区是复合材料的一种缺陷。从微观角度来说，混凝土界面过渡区的性质决定了混凝土这种复合材料的下限性能。对混凝土界面过渡区的研究对提高混凝土宏观力学性能和耐久性方面有着巨大贡献。本文从界面过渡区的形成机理和界面特性出发，较为全面地分析了影响界面过渡区强度和厚度的众多因素，在此基础上也提出了许多改善界面过渡区的有效措施，为以后研究界面过渡区提供了借鉴，拓展了方向。
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