摘要翻译

研究内容

• 界面过渡区的识别与定量表征：包括孔隙率、厚度、体积分数等物理参数的测定方法及其统计规律。
• 力学性能的测试与预测：重点讨论弹性模量的梯度分布特征，以及抗拉、抗剪强度的实验获取手段。
• 多因素影响机制分析：从直接因素（水灰比、矿物掺合料、养护龄期）和间接因素（骨料粒径分布、表面粗糙度、体积分数）两个维度，揭示各因素对界面过渡区微观结构和宏观性能的作用路径。
• 数值建模方法比较：评述零厚度粘结单元、有限厚度实体单元、离散元等方法在界面过渡区模拟中的适用性与局限性。

研究方法

• 实验表征技术：扫描电子显微镜结合背散射电子成像是当前最常用的手段。通过对BSE图像进行灰度阈值分割，可区分孔隙、未水化颗粒和水化产物，进而沿垂直骨料边界的方向绘制孔隙率曲线，据此确定界面过渡区厚度。纳米压痕技术通过密集布点测试，可获得弹性模量从骨料表面向外逐渐增加的梯度分布。X射线计算机断层扫描可三维重构界面过渡区的空间构型，但分辨率有限。交流阻抗谱和压汞法从电学和孔隙结构角度提供补充信息。
• 数值模拟方法：现有模型可分为三类。第一类忽略界面过渡区厚度，假定骨料与浆体完美粘结，将全部非线性行为归于浆体，适用于大尺度动力分析。第二类在骨料与浆体之间插入零厚度粘结单元，单独赋予界面过渡区损伤和破坏行为，能较好模拟裂纹沿界面扩展。第三类采用有限厚度的实体单元，厚度往往大于物理值以降低计算成本。离散元方法在处理界面过渡区非均匀性方面具有优势，尤其适用于混凝土峰后行为与动态破坏模拟。
• 理论分析模型：为描述界面过渡区弹性模量的梯度变化，研究者提出了n层球形包裹体模型，将非均匀界面过渡区划分为若干同心球壳，每层视为均匀各向同性。基于统计几何的界面过渡区体积分数计算公式，能够考虑相邻界面过渡区重叠的影响。这些理论为多尺度力学分析提供了基础。

研究结论

• 界面过渡区厚度并非恒定值。实验表明，厚度主要受水灰比、水泥细度和养护龄期控制，并与骨料粒径呈一定相关性。即使围绕同一骨料，不同方位（上方、侧面、下方）的界面过渡区厚度也存在显著差异——下方往往更厚，因重力导致水膜聚集。在数值模拟中，若采用统一的恒定厚度值，可能高估界面过渡区体积分数及其对宏观性能的影响。
• 弹性模量呈现二次函数梯度分布。与早期均匀假设不同，高分辨率测试显示，从骨料表面向外，弹性模量先缓慢下降（在约10~20 μm处达到最低），而后逐渐上升至基体值。该梯度分布可用二次函数拟合，其物理机制在于最靠近骨料的区域虽然孔隙率高，但大量钙氢氧石晶体交织形成一定骨架；稍远处则因水泥颗粒堆积密度最低而力学性能最弱。
• 骨料特性的双重作用。粗糙骨料表面虽可能造成局部更高孔隙率，但由于机械咬合增强，界面抗剪强度和断裂能反而提高。石灰岩骨料因表面粗糙、吸水率高，早期界面过渡区比花岗岩更致密。增大骨料最大粒径、优化级配接近Fuller曲线，可降低界面过渡区总占比，因为大粒径骨料的比表面积更小。
• 矿物掺合料显著改善界面过渡区。硅灰、粉煤灰、矿渣等细颗粒材料可填充界面疏松区，并与氢氧化钙发生二次水化生成更多C-S-H凝胶。研究表明，掺入10%硅灰可使界面过渡区厚度从50 μm降至10 μm，粘结强度和断裂能提高一倍以上。延长养护龄期同样促进孔隙填充，但界面过渡区在长时间内仍为最薄弱环节。
• 水灰比与环境因素的调控。降低水灰比可使骨料表面水膜变薄、水泥颗粒堆积更紧密，从而降低界面过渡区孔隙率和厚度。高温下骨料与浆体的热膨胀不匹配会诱发界面微裂纹，冻融循环下界面过渡区微裂纹面积占比可超过70%。蒸压养护能促进二次水化，使界面过渡区比标准养护条件下更密实。
• 多尺度建模面临挑战：现有研究中，界面过渡区物理参数的取值往往过于简化。未来应发展能够反映厚度随骨料粒径统计分布、弹性模量随距离梯度变化的精细化模型，并结合深度学习实现对BSE图像中界面过渡区的快速识别与参数反演。

参考文献