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本研究系统探究平筋周围界面过渡区（ITZ）的结构与性能，重点分析集料体积分数、形状及尺寸的影响。采用多尺寸多形状集料的三相复合材料模型，结合自主研发的弯曲截面分析法，量化ITZ的固体相位参数（体积分数、比表面积、平均自由程）。结果表明：集料体积分数增加降低ITZ孔隙率并提升力学性能；椭球体与卵形集料较二十面体形态更优；过度细颗粒导致ITZ增厚和性能劣化。为优化钢筋混凝土结构材料设计提供理论支撑。
刘旭倩|陈硕辉|吴张宇|佘伟
中国东南大学材料科学与工程学院工程材料国家重点实验室，南京211189
摘要：
钢筋显著提高了混凝土结构的整体性能和耐久性，在建筑领域得到广泛应用。然而，由于钢筋与混凝土之间的相互作用，钢筋周围常常会形成界面过渡区（ITZ），这大大削弱了混凝土的结构完整性。本研究系统地研究了钢筋混凝土中普通钢筋周围ITZ的结构和性质，特别关注了骨料特性（包括颗粒体积分数、形状和尺寸）的影响。采用了一种介观三相复合模型，该模型包含不同尺寸和形状的骨料、普通钢筋和水泥浆体。此外，还开发并验证了一种新的曲线截面分析方法。该方法能够通过固相参数（包括面积分数、比表面积和平均自由间距）系统地表征ITZ的结构和性质。研究结果表明，增加骨料体积分数可以降低ITZ的孔隙率并提高机械性能，而骨料形状对ITZ的性质有显著影响，长椭球体和卵形体比二十面体表现出更好的机械性能。此外，骨料级配中过量的细颗粒会增加ITZ的厚度并降低机械性能。这些发现为优化钢筋混凝土结构的材料设计、结构性能和工程应用提供了关键见解。
引言
混凝土因其优异的可加工性和多功能性而在建筑和工程领域得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。虽然混凝土具有较高的抗压强度，但其抗拉强度有限。将钢筋加入混凝土中可以显著提高其抗拉能力和抗裂性，从而提高结构稳定性和安全性[5]、[6]。钢筋混凝土已成为高层建筑[7]、大坝[8]、港口[9]等土木工程项目的关键材料[10]、[11]。然而，由于其内部组分的异质性，钢筋周围不可避免地会形成界面过渡区（ITZ）。
ITZ在决定材料的整体机械性能方面起着关键作用，并显著影响结构安全性，因此一直是长期研究的重点。ITZ不仅存在于混凝土中，也广泛存在于其他基于水泥的材料中，如水泥浆体和砂浆，对此进行了大量研究，并且仍然是研究热点。根据其形成机制，ITZ可以分为三类：（1）基于水泥的复合材料表面与外部相之间的界面；（2）水泥基体与骨料之间的界面；（3）嵌入纤维或钢筋周围的界面。基于水泥的复合材料与外部介质之间的ITZ是由于外部介质的壁效应而形成的，导致其具有高孔隙率和低强度等特性。这些外部介质包括混凝土模板以及油井水泥套管[12]、水泥或混凝土输送设备[13]等类似结构。水泥基体与骨料之间的ITZ是由于成分不匹配而形成的，导致高渗透性和强度降低。这种类型的ITZ对基于水泥的复合材料的整体性能有害，常常会削弱其机械完整性。相比之下，纤维和钢筋周围的ITZ与混凝土中的颗粒和水分布密切相关[14]，在钢纤维增强[15]、[16]和钢筋增强水泥基复合材料中起着关键作用。
关于钢纤维增强水泥基复合材料中的ITZ已经进行了大量研究。例如，He等人[17]提出了一种新的ITZ表征方法，揭示了其高孔隙率。Lee等人[18]对钢纤维增强砂浆进行了背散射电子成像和X射线分析，定量研究了ITZ中的Ca/Si比值和裂纹扩展情况，以阐明钢纤维在砂浆中的增强机制。Pi等人[19]计算了混凝土中钢筋周围ITZ的孔隙率、Ca/Si比值和强度，从而探讨了钢纤维增强水泥基复合材料的增强机制。Hu等人[20]利用计算机断层扫描技术定量表征了冻融循环下钢纤维增强混凝土的损伤演变，揭示了纳米二氧化硅对钢筋周围ITZ的增强机制。
关于钢筋增强水泥基复合材料中的ITZ的研究也取得了重要成果。例如，Kenny等人[21]控制了钢筋混凝土中的水灰比，并使用背散射电子显微镜分析了钢筋附近ITZ的孔隙率和厚度，建立了混合比例与ITZ组成之间的相关性。Angst等人[22]计算了钢筋周围ITZ的孔隙率和氢氧化钙浓度变化，从而描述了局部特征和物理化学性质。
上述研究表明，骨料特性对混凝土中的界面过渡区（ITZ）有重要影响，进而影响混凝土结构的整体性能[23]、[24]，包括泊松比[25]、弹性模量[26]、强度[27]和渗透性[28]等参数。此外，研究混凝土结构中ITZ的特性对于特定结构区域具有重要意义。例如，这些特性对裂纹扩展[29]、[30]、能量吸收[31]、[32]以及梁等结构构件的剪切性能[33]、[34]有重要影响。多项研究探讨了骨料形状、体积分数、尺寸和取向对ITZ行为的影响。例如，Lin等人[35]使用截面分析研究了超球形颗粒尺寸分布和范围对混凝土界面层的影响。Huang等人[37]利用计算机断层扫描（CT）研究了混凝土中的界面层，并推导出了与椭球体长径比相关的比表面积拟合公式。Liu等人[38]研究了长椭球体取向对界面层的影响，发现垂直于界面的颗粒会增加孔隙率并降低机械性能。研究骨料特性如何影响钢筋混凝土中ITZ的结构和性质是一个具有重大科学和工程意义的关键研究课题[39]。然而，目前尚无研究系统地探讨钢筋混凝土中骨料特性如何影响钢筋附近ITZ的结构和性质。
本研究通过介观建模研究了骨料特性对钢筋混凝土中钢筋周围界面过渡区（ITZ）结构和性质的影响。在介观尺度上，钢筋混凝土可以被视为由钢筋、骨料和水泥浆体组成的三相复合材料。研究方法分为三个阶段：首先，使用不规则颗粒数学模型结合动态随机堆积算法和重叠检测标准生成包含不同尺寸和形状骨料的颗粒堆积结构；其次，开发了一种新的曲线截面分析方法，基于颗粒堆积模型准确表征钢筋周围的ITZ结构，并验证了该方法的可靠性；最后，从单尺寸和多尺寸颗粒堆积结构中得到的固相表征参数（如面积分数、比表面积和平均自由间距）的统计结果揭示了骨料特性与ITZ结构和性能之间的关系。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了不规则颗粒的构建和动态随机堆积算法，用于生成钢筋混凝土的介观模型。第3节介绍了一种新的曲线截面分析方法，用于提取多尺寸、多形状颗粒的内部信息，并验证了该方法的可靠性。第4节展示了单尺寸和多尺寸颗粒堆积结构中三个表征参数（面积分数（V_V）、比表面积（S_V）和平均自由间距（λ）的统计结果，揭示了骨料特性对ITZ结构和性质的影响。第5节总结了主要结论。
章节摘录
结构建模
为了研究普通钢筋对界面过渡区（ITZ）的影响，首先对混凝土结构进行了建模。该过程使用了多形状颗粒的数学模型、动态随机堆积算法和颗粒尺寸分布函数来构建颗粒结构。基于多形状颗粒的密堆积结构，成功建立了介观钢筋混凝土模型。
曲线截面分析的方法和验证
在获得正确的颗粒堆积结构后，应用曲线截面分析方法来研究骨料颗粒特性对钢筋周围ITZ的结构和机械性能的影响。然而，有几个变量会影响该方法生成的结果，因此需要讨论这些因素以验证曲线截面分析方法的可靠性。
结果与讨论
通过结合颗粒堆积结构建模和曲线截面分析方法，可以系统地研究骨料颗粒特性（包括体积分数、形状和尺寸）对普通钢筋周围界面过渡区（ITZ）的结构和性质的影响。这项研究分为两种情况：单尺寸颗粒堆积结构和多尺寸颗粒堆积结构，并分别进行了详细分析。
结论
本研究研究了骨料颗粒特性对钢筋混凝土中普通钢筋周围界面过渡区（ITZ）的结构和性质的影响。基于动态随机堆积算法生成的介观模型，开发了一种新的曲线截面方法来表征ITZ结构。该方法计算了截面的三个关键参数：体积分数（V_V）、比表面积（S_V）和平均自由间距
CRediT作者贡献声明
佘伟：写作 – 审稿与编辑、验证、资金获取、概念构思。吴张宇：写作 – 审稿与编辑、研究、资金获取。刘旭倩：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究、正式分析、数据管理。陈硕辉：写作 – 审稿与编辑、项目管理
致谢
作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52408239）和江苏省自然科学基金（编号：BK20241340）的研究支持。
