大溫差環境下混凝土抗熱疲勞性能研究

王 康，張玉平，章 杰，周 磊，丁 沙

(湖北省建筑科學研究設計院，武漢 430070)

近年來，隨著混凝土結構在寒冷、大溫差、鹽堿侵蝕等惡劣環境的應用，新的耐久性問題也不斷出現，大溫差循環作用下混凝土表面的剝落和開裂就是其中的一種表現[1]。

在我國廣大地區，年溫差普遍較大，為50～80 ℃，少數地區年溫差達到90 ℃以上[2]。長期反復的熱循環將對結構物表面的水泥基體-集料界面區產生損傷。這種損傷積累將導致表面的剝落、開裂等病害的產生，從而影響混凝土的耐久性[3]。

對于大型的公路鐵路橋梁、渡槽等混凝土構筑物，跨度較大、長期暴露在空氣中的面積大，在服役期間，與外界環境相互作用，可能會造成化學成分和孔隙結構發生變化，使得此類構件在大溫差環境條件下的耐久性裂化更為顯著。目前，對混凝土耐久性的研究主要集中在抗凍融、抗碳化、抗氯離子滲透等方面[4]，通過研究混凝土在大溫差條件下的抗熱疲勞性能，從而改善混凝土結構在極端溫度條件下的服役性能，提高混凝土結構的長期耐久性有十分重要的意義。

1 試 驗

1.1 試驗用原材料

水泥采用P·I 52.5水泥，密度為3 150 kg/m3，比表面積為380 m2/kg。

礦物摻合料包括：陽邏電廠一級粉煤灰，細度3.91%；礦粉采用中建商混有限公司生產的S95級礦渣微粉，比表面積480 m2/kg。

集料包括產自大冶地區的玄武巖(SiO2含量48%)和石灰石(CaO含量55%)，以及中粗河砂，細度模數2.36，含泥量1.0%。

1.2 試驗方法

試驗試樣包括：水泥凈漿、水泥膠砂、粗集料和水泥混凝土試樣。其中水泥凈漿和水泥膠砂試樣養護至28 d開始試驗。粗集料試樣采用機械加工的方法從原石上加工制備。混凝土試樣采用2～25 mm連續級配石灰石配制C50混凝土。

熱變形大小的測量采用湘潭湘儀器有限公司生產的XPY型線性熱膨脹儀，其熱變形測量范圍為室溫至1 200 ℃。為了模擬研究大溫差環境下水泥混凝土材料的熱變形特性，此次試驗的溫度范圍選為25～85 ℃。在每一溫度點儀器自動記錄試樣的原始長度和加熱后的長度。試樣的熱膨脹率(單位長度伸長值)和熱膨脹系數(單位溫度下單位長度伸長值)由式(1)和式(2)計算得到。

(1)

(2)

式中，Li，εi和αi為i溫度點試樣的長度、熱應變和熱膨脹系數。L0為20 ℃時試樣長度；ΔT為升溫幅度[5]。

用立方體抗壓試驗反映混凝土試件熱疲勞前后的力學性能變化。

2 結果與分析

2.1 混凝土不同組分在熱疲勞下的變化及相互影響

集料在混凝土中所占的體積比最大，是影響混凝土體積變化的主要因素之一[6]。圖1與圖2分別為粗骨料與硬化水泥漿體的熱膨脹率和熱膨脹系數相對溫度變化的曲線，在圖中可明顯發現石灰石、玄武巖與水泥硬化漿體之間的熱膨脹率和熱膨脹系數隨溫度變化趨勢有顯著的區別。

在圖1中可以看到，從熱膨脹率的角度看，水泥石和粗集料隨溫度變化趨勢相似，二者都隨著溫度的升高而增大，粗集料的熱膨脹率始終小于水泥石的熱膨脹率，二者的熱膨脹差異隨溫度的增加而增大。說明隨著溫度的升高，粗集料和硬化水泥漿體在熱應力的作用下產生的變形不一致，使得混凝土內部出現應力，材料的結構發生破壞。

在圖2中可以看到，硬化水泥漿體的熱膨脹系數，隨著溫度的升高先增長后降低，而石灰石和玄武巖的熱膨脹系數隨著溫度的變化趨勢并不明顯。可見，在混凝土材料中各組分的熱膨脹性質有顯著的差異，各組分在溫度變化過程中的應變有明顯區別。

C50混凝土試件在熱疲勞100次后的抗壓強度損失率見表1。

表1 混凝土試件在熱疲勞后的強度損失率

由表1可見，隨著溫度的升高，混凝土試件的抗壓強度損失率不斷增加，當熱疲勞次數達到100次時，試件的抗壓強度損失率達到了25%。盡管實驗室設置的溫度不足以高至使水泥混凝土中水化產物失去結晶水而破壞結構，然而混凝土試件的宏觀力學性能還是出現了明顯的劣化。說明混凝土中不同組分的熱膨脹率和熱膨脹系數本身的差異和隨溫度變化趨勢的不一致，導致了混凝土宏觀力學性能有顯著的下降。

2.2 影響混凝土在大溫差條件下抗熱疲勞性能的因素分析

2.2.1 水灰比對水泥砂漿熱變性能的影響

圖3 是不同水灰比水泥砂漿試件熱膨脹率隨溫度變化的變化趨勢，從圖中可以發現，不同水灰比砂漿的熱膨脹率隨溫度的變化趨勢相似。在一定的溫度范圍內隨著水灰比的增加，砂漿試件的熱膨脹率逐漸減小。其原因可能是水灰比在0.3～0.5范圍內變化時，隨著水灰比的增加，砂漿試件中孔隙率增加，從而為水泥石的熱變形在內部預留出了更大的空間。

2.2.2 水灰比對混凝土試件熱變性能的影響

由表2 可知，隨著水灰比的增加混凝土的熱膨脹系數逐漸降低，但是降低幅度在10%以內。由于在混凝土的組分中集料對硬化水泥漿體具有一定的限制作用，所以混凝土材料的熱膨脹系數隨水灰比的變化不顯著。

表2 不同水灰比混凝土試件的熱膨脹系數

2.2.3 礦物摻合料對硬化水泥漿熱膨脹性能的影響

采用粉煤灰和礦渣微粉替代凈漿中的水泥制備試件，在標準條件下養護至28 d，測定其在規定溫差下的熱變性能。

硬化漿體中粉煤灰和礦粉對其熱膨脹率的影響見圖4。在圖4中，可以發現粉煤灰的摻入可以減小硬化水泥漿體的熱膨脹率，增強了硬化水泥漿體在大溫差環境下的惰性，在一定程度上提高了硬化水泥漿體的抗熱疲勞性能。同樣礦粉的摻入也可以在一定程度上減小硬化水泥漿體的熱膨脹率，提高水泥漿體的抗熱疲勞性能，但是影響效果沒有粉煤灰顯著。

2.3 改善混凝土抗熱疲勞性能的措施及機理分析

2.3.1 增強混凝土界面過渡區

混凝土材料中硬化膠凝材料漿體與集料之間存在界面過渡區，界面過渡區的密實與否和漿體與集料在界面過渡區處的粘附性能，是影響混凝土宏觀力學性能和耐久性的最主要因素之一[7]。然而，如上文所述，混凝土中的不同組分在大溫差下的熱膨脹率和熱膨脹系數都有顯著區別，經歷大溫差條件下的熱疲勞后，不同組分間出現大小不同的熱應變，作用在界面過渡區，導致了混凝土宏觀力學性能和耐久性的顯著劣化。

具體實施手段包括摻入粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，摻入增加粘附能的有機物改性劑等。

2.3.2 提高硬化水泥漿體與集料的熱膨脹協調性

在混凝土各組分中，硬化水泥漿體的熱膨脹率顯著高于集料的熱膨脹率，不同集料的熱膨脹性能也不盡相同，不同組分材料在大溫差環境條件下的熱膨脹性能不一致、不協調，也是混凝土在大溫差條件下經歷熱疲勞后力學性能和耐久性劣化的主要因素之一。

通過一定的方法降低硬化漿體的熱膨脹率，同時選擇合適的集料配制混凝土，使得混凝土各組分之間的熱膨脹性能趨于協同，能提高混凝土在大溫差下的抗熱疲勞性能。

根據前文的分析，可見在硬化水泥漿體中摻入礦物摻合料能降低其熱膨脹率。此外，在混凝土中摻入特定聚合物改性劑也能在一定程度上降低硬化水泥漿體的熱膨脹率。

2.3.3 提高硬化水泥漿體的抗拉強度

混凝土經歷大溫差下的熱疲勞后，各組分不同的熱膨脹性能，使得混凝土內部存在熱應變產生的應力，增強混凝土的材料中水泥石的抗張拉性能，能在一定程度上提高混凝土的抗熱疲勞性能。

通過在混凝土中摻入聚丙烯、玄武巖等纖維能有效提高混凝土中硬化水泥漿體的抗張拉強度[8]，在一定程度上提高混凝土的抗熱疲勞性能。

3 結 論

該文研究了混凝土及其組成材料在25～85 ℃范圍內的熱膨脹性，分析了混凝土不同組分的熱膨脹性能及其相互影響，分析了不同水灰比和不同礦物摻合料對硬化水泥漿體的熱膨脹性能的影響，分析了提高混凝土在大溫差條件下抗熱疲勞性能的措施和機理，得到以下結論：

1)硬化水泥漿體與石灰石、玄武巖等粗集料的熱膨脹率和熱膨脹系數有顯著區別，且隨溫度的變化趨勢不一致。

2)硬化水泥漿體的熱膨脹率在一定范圍內隨著水灰比的增加而減小，混凝土試件的試驗結果呈現相似規律，變化幅度相對較小。

3)粉煤灰和礦粉等礦物摻合料可顯著降低硬化水泥漿體的熱膨脹率。

4)通過選擇適當的水灰比、摻入礦物摻合料或合適聚合物改性劑、或者摻入纖維，能增強界面過渡區、降低硬化水泥漿體的熱膨脹率、增強硬化水泥漿體的抗拉強度，從而提高混凝土的抗熱疲勞性能。

[1] 顧明東,高 鵬,張 雄.嚴寒大溫差環境對混凝土性能影響的研究[J].粉煤灰綜合利用,2016(3):29-32.

[2] 于淑秋.近50年我國日平均氣溫的氣候變化[J].應用氣象學報,2005,16(3):787-793.

[3] 丁 沙.低溫度敏感性混凝土的制備技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[4] 袁豐榮.混凝土耐久性研究現狀和研究方向[J].城市建設理論研究(電子版),2015(16):1843-1844..

[5] 馬新偉，鈕長仁.混凝土硬化早期熱膨脹的量化方法研究[J].低溫建筑技術,2005(2)：8-9.

[6] 吳中偉,廉慧珍 高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

[7] 水中和,萬惠文.老混凝土中骨料一水泥界面過渡區(ITZ)(I)-元素在界面區的分布特征[J].武漢理工大學學報,2002,24(4):21-23.

[8] 陳金平.聚丙烯纖維對混凝土抗拉性能的影響研究[D].青島：中國石油大學(華東),2005.