熱疲勞作用對混凝土力學性能及微觀結構的影響

肖帥鵬，李宗利，2，張國輝，李常兵，劉士達，李云波

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100;3.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

0 引 言

混凝土材料是非勻質多相復合材料，各相組成的熱變形性能差異大，溫差作用下的不均勻變形會引起其微裂紋；另外，當環境溫度發生變化的時候，混凝土表面溫度變化快，而內部溫度變化相對滯后[1]，由此產生明顯的溫度梯度引起的不均勻變形同樣會產生微裂紋等劣化現象。這種長期反復的溫度交變作用使混凝土內部產生熱疲勞應力，導致混凝土出現損傷開裂現象，從而引起混凝土性能的劣化[2]。

在我國西北部分地區，溫度變化幅度大，常年處在干燥環境，不但年溫差大(1986年新疆最高98.4 ℃),日溫差高(1962年新疆最高35.8 ℃)，且地面溫度也很高(1974年新疆最高82.3 ℃)，這些地區的環境溫度變化對混凝土材料造成的影響十分顯著[3]。目前關于溫度對混凝土影響的研究多關注凍融循環[4-5]或者高溫[6-7]作用，而對于自然環境溫度周期性變化使得混凝土產生熱疲勞損傷方面的研究還相對較少。韓明明[8]研究了熱疲勞作用對高性能混凝土強度的影響規律，但研究采用的浸水降溫法增加了濕度的影響。An等[9]選擇C60等高性能混凝土來研究熱循環(20～65 ℃)對其毛細吸收和力學性能的影響，采用烘箱進行升溫，使用20 ℃的環境箱直接進行降溫，不符合自然降溫過程的同時也致使混凝土表面不可避免地發生冷擊效應，且未進行濕度控制。Shokrieh等[10]研究了三個溫差循環范圍(-30～25 ℃、25～70 ℃、-30～70 ℃)，在25～70 ℃溫差范圍內其強度出現了較大退化，其中混凝土的抗壓強度和抗剪強度分別下降了4.9%和17.4%，雖然在熱循環過程中考慮了升降溫的穩定性，但仍未進行濕度的控制。Al-tayyib等[11]的研究表明在20～80 ℃范圍內經90次熱循環后，混凝土抗壓強度和抗彎強度分別下降32.0%和27.0%，其研究采用烘箱進行升溫，并在烘箱中放置24 h自然降溫。Walker等[12]研究了在4.4～60 ℃范圍內溫度循環速率對混凝土力學性能的影響，研究表明在較高的循環速率下，混凝土的力學性能退化更大。王康等[13]研究了混凝土及其組成材料在25～85 ℃范圍內的熱脹性，分析了混凝土不同組分的熱脹性能及相互影響。上述研究雖探究了熱疲勞作用下的混凝土宏觀性能演變規律，但在試驗中未進行濕度控制。溫度變化會引起濕度的耦合變化，而濕度的改變會引起混凝土微觀結構變化，對力學性能的影響不容忽視[14-15]。

本文使用高低溫交變濕熱環境箱嚴格控制溫濕度，使得混凝土試件始終處于濕度恒定不變的環境中，探究在不同循環溫差作用下，不同強度等級的普通混凝土在單一因素(環境循環溫差)影響下的力學性能演變規律，通過壓汞法測定孔隙結構，使用非金屬超聲檢測儀測定超聲波速變化規律，從微觀層面探討混凝土熱疲勞作用下的劣化機理，為橋梁的箱板、路面、水工渡槽等混凝土薄壁結構精細分析、安全評價提供理論支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用P·C 42.5級復合硅酸鹽水泥，標準稠度用水量為26.2%(質量分數)，安定性合格，初凝時間為259 min，終凝時間為324 min，細度為1.5%；細骨料采用機制砂，細度模數為3.1，級配區屬1區粗砂(級配合格)，含泥量為0.2%(質量分數)，石粉含量為4.7%(質量分數)，表觀密度為2 750 kg/m3，堆積密度為1 610 kg/m3，有害物質含量均在規定值以下；粗骨料采用碎石，粒徑為5～20 mm的小石，含泥量為0.1%(質量分數)，表觀密度為2 750 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3，最大粒徑為20 mm；混凝土拌和用水選用自來水，滿足規范對混凝土試驗用水的要求。

1.2 試驗儀器及試件制備

試驗相關儀器分別采用：重慶顥源環境試驗設備公司的SDH205P型高低溫交變濕熱試驗箱，工作室尺寸為700 mm×800 mm×900 mm，溫度范圍為-20～100 ℃，溫度均勻度≤2 ℃，溫度波動度≤±0.5 ℃，溫度偏差為±2 ℃，濕度范圍為30%～98%；深圳博佳衡器公司的高精度電子天平，精度為0.01 g；北京康科瑞公司的NM-4A非金屬超聲檢測分析儀；上海華龍測試儀器公司的WAW-1 000型微機控制電液伺服萬能試驗機；美國Quantachrome公司的PoreMaster GT型(33/60)型壓汞儀，可測孔徑范圍為7 nm～1 000 μm。

混凝土試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，拌和、標準養護過程按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》進行，混凝土強度等級包括C25和C40，配合比及抗壓強度見表1。

表1 不同強度等級混凝土的配合比及主要參數

1.3 試驗設計與方法

先將標準養護28 d齡期的混凝土試件在室內靜置5 d(測得室內平均濕度49%，平均溫度18.7 ℃)，隨后放置在環境箱中。通過程序控制箱內的相對濕度恒為55%。為了避免試樣在加熱過程中受到熱沖擊的影響，參考文獻[16]建議加熱速率應控制在3 ℃/min左右，故本試驗以不大于2 ℃/min的升溫速率將環境箱在0.5 h內從室溫(20 ℃)升至目標溫度(40 ℃/50 ℃/60 ℃)，在目標溫度下放置1.5 h后，再將環境箱的溫度以相同的降溫速率降至室溫(20 ℃)，并在室溫下放置1.5 h。重復進行上述過程，每一次升溫到恢復室溫為一個循環，共400個循環，溫差循環制度如圖1所示。

圖1 熱疲勞作用下的試驗方法示意圖

按照設置的溫差范圍、強度等級和循環次數將試件分為34組，每組6塊試件(3塊用于檢測抗壓強度，3塊用于檢測劈裂抗拉強度)，共204塊，其中10組為對照組，另24組為試驗組。對溫差循環前的試件以及不同循環溫差作用下循環次數達到100次、200次、300次、400次的試驗組試件和同齡期對照組試件進行稱重、超聲波檢測、強度和壓汞試驗。

2 結果與討論

2.1 熱疲勞作用下混凝土宏觀力學性能劣化規律分析

對不同溫差循環次數的混凝土試件稱重，試驗結果表明混凝土試件的平均質量損失率均小于0.6%。研究[17]表明，混凝土在80 ℃下僅脫去自由水，不會對微觀結構產生顯著影響，由于本文試驗的最高溫度為60 ℃，可認為在熱疲勞作用下混凝土的性能變化僅來自溫差作用。另外，為消除齡期對混凝土強度的影響，在試驗過程中，將對照組試件放置在標準養護箱中養護，待達到預設的溫差循環次數時，取試驗組和相應的對照組試件同時進行強度測定。

2.1.1 混凝土強度變化規律

不同強度等級、循環溫差下混凝土的相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度(相對強度：溫差循環后的強度與同齡期標準養護后的強度的比值)隨溫差循環次數的變化如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可知，C25和C40混凝土的相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度均呈下降的變化規律，且下降趨勢基本一致。在前100次溫差循環時，強度下降的相對平緩，100～200次溫差循環作用時，下降速率明顯增大，而在200次溫差循環之后，強度下降再次變緩。在20 ℃、30 ℃和40 ℃的循環溫差作用下，針對400次溫差循環作用后的結果可知，C25混凝土相對抗壓強度分別下降了18.15%、20.59%和23.64%，C40混凝土相對抗壓強度分別下降了22.28%、27.23%和33.67%； C25混凝土相對劈裂抗拉強度的降幅分別為25.76%、32.03%和34.64%；C40混凝土相對劈裂抗拉強度的降幅分別為29.07%、32.84%和39.31%。由此可知，同一強度的混凝土，循環溫差越大，其相對強度下降越多；在相同的循環溫差作用下，C40混凝土比C25混凝土的相對強度降幅更大，且劈裂抗拉強度較抗壓強度對熱疲勞作用更敏感。

圖2 熱疲勞對混凝土相對抗壓強度的影響

圖3 熱疲勞對混凝土相對劈裂抗拉強度的影響

2.1.2 熱疲勞作用對強度的影響分析

隨著熱疲勞作用次數的增加，混凝土的相對抗壓強度和相對劈裂抗拉強度均呈下降趨勢。一方面，溫度變化過程中，試件表面與內部形成溫度梯度，產生熱應力，進而形成微裂紋與微孔隙，對其強度起到劣化作用[1]；另一方面，試件內粗骨料與砂漿的熱膨脹系數相差較大，在溫度變化過程形成熱變形不協調或非均勻變形，致使微裂紋出現而導致強度降低[13]。在整個熱疲勞作用過程中，混凝土的強度下降速率由緩到快再到平緩。這是由于在熱疲勞作用前期，試件中未水化的水泥顆粒進一步水化，對混凝土的強度有一定的增強作用[14,17-18]，在一定程度上抵消了熱疲勞作用對混凝土力學性能的劣化效應；而在100～200次溫差循環時，由于濕度控制較好，其再水化作用相對緩和，熱疲勞作用下的損傷占主導地位，因此其強度快速下降；而在200次溫差循環后，由于熱疲勞作用產生的微裂紋、微裂隙增多且更加粗化，致使各相之間由不均勻變形產生的熱應力減小，因此強度下降再次變緩。

研究[19]表明在20～60 ℃的溫度變化過程中砂漿的熱膨脹系數隨著水灰比的增加而減小，這表明在熱疲勞作用下，水灰比大的砂漿與粗骨料的熱應力差異導致的變形相應減小，界面和內部結構的損傷作用變弱；另外，水灰比較大的混凝土內部結構相對疏松，孔隙含量相對較多，在熱膨脹過程中為各組分的膨脹提供了較大的緩沖空間，因此C25混凝土較C40混凝土的相對強度下降幅度小一些。在相同條件下，與相對抗壓強度相比，熱疲勞作用下混凝土的相對劈裂抗拉強度減小更多。這是由于熱疲勞作用產生的微裂紋等缺陷對混凝土劈裂抗拉強度影響較抗壓強度更明顯。

2.2 熱疲勞作用下混凝土超聲波檢測結果分析

不同強度等級、不同循環溫差作用以及同齡期對照組的混凝土超聲波速隨溫差循環次數的變化如圖4所示。由圖可知，在熱疲勞作用前，C40混凝土的超聲波速比C25混凝土大，這是由于強度等級高的混凝土水灰比相對較小，其內部結構相對較致密。同齡期對照組試件(循環溫差為0 ℃)的超聲波速均呈上升趨勢，這是由于隨著齡期的增加，未水化水泥顆粒繼續水化，使得其微觀結構更加致密。試驗組試件隨著溫差循環次數的增加，其超聲波速均呈下降的趨勢，且其下降趨勢和規律與強度一致，這表明在熱疲勞作用下，混凝土內部出現了微裂紋、微裂縫等缺陷。在相同的循環溫差作用下，C40混凝土比C25混凝土的超聲波速降幅更大。以上結果也從混凝土內部微觀結構損傷的角度解釋了不同混凝土力學性能變化的差異。

圖4 熱疲勞對混凝土超聲波速的影響

2.3 熱疲勞作用下混凝土微觀孔隙結構分析

壓汞法是一種測定混凝土微觀孔隙結構的常用方法[20]。首先對C25混凝土的試驗結果進行分析，研究其孔隙結構隨循環溫差變化的規律，測定熱疲勞作用下混凝土的孔隙結構參數和孔徑分布規律。不同熱疲勞作用下C25混凝土在不同溫差循環次數后的孔隙結構變化如表2所示。

表2 C25混凝土的孔隙結構變化

由表2可知，經過不同熱疲勞作用后，混凝土內部的孔隙結構發生了顯著變化。相同循環溫差作用下，隨著溫差循環次數的增加，混凝土的孔隙率和孔隙總體積均呈增大的趨勢，而孔隙總面積呈減小的趨勢，這是因為混凝土內部的孔徑在增大，而孔的數量在減小(即出現了孔的連通)。經400次溫差循環后，隨著循環溫差的增大，孔隙率和孔隙總體積均呈增大的趨勢，這表明循環溫差越大，對混凝土的劣化作用越顯著。相同循環溫差作用下，混凝土的平均孔徑和中值孔徑隨溫差循環次數的增多而增大，經400次溫差循環后，循環溫差越大，混凝土的平均孔徑和中值孔徑越大，表明熱疲勞作用使混凝土內部孔隙呈粗化的趨勢。

對混凝土內部孔隙進行分類[21]，分為凝膠孔(<10 nm)、過渡孔(10～100 nm)、毛細孔(100～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)，不同熱疲勞作用下C25混凝土在不同溫差循環次數后的各類孔徑百分含量如表3所示。

表3 C25混凝土的各類孔徑百分含量

混凝土的基本孔隙參數可以在一定程度上表征熱疲勞作用下混凝土內部孔隙結構的變化規律，而其孔徑分布曲線可以更直觀地得到各孔徑范圍的相對含量。圖5為不同循環溫差作用下、不同溫差循環次數后混凝土各孔徑的孔體積分布情況。孔徑分布曲線呈現出高低主次兩個峰值點，主峰值點對應最可幾孔徑，隨著溫差循環次數的增加而增大，且向大孔方向移動，其值在毛細孔的孔徑范圍內；次峰值點隨著溫差循環次數的增加而減小，亦向大孔方向移動，其值在過渡孔的孔徑范圍內。

圖5 孔徑分布曲線

結合圖5和表3可知，隨著熱疲勞的作用，孔徑分布曲線的主峰和次峰都向大孔方向偏移，即混凝土的孔隙呈現粗化的趨勢，而凝膠孔的含量隨著溫差循環次數的增加卻在減小，說明混凝土在熱疲勞作用下持續發生著再水化作用，使得部分凝膠孔被填充，這也可以解釋為什么混凝土強度在前100次熱疲勞循環過程中下降緩慢，而在100次溫差循環以后，大孔含量的增加起到主導作用，使得其強度下降速率加快。無論是圖5還是表3都可以看到，隨著熱疲勞的進行，孔徑范圍小于100 nm的孔隙含量減小，而大于100 nm的孔隙含量在增加，混凝土內部孔隙結構呈劣化的趨勢。

不同強度等級的混凝土的孔隙結構存在著差異，導致其在熱疲勞作用下的強度變化有所不同，為揭示高強度等級的混凝土在熱疲勞作用下的孔隙結構變化規律，對經40 ℃循環溫差作用后的C40混凝土的壓汞試驗結果進行分析，其孔隙率及各類孔徑百分含量如表4所示。

由表4可知，隨著溫差循環次數的增加，C40混凝土的孔隙率呈增大的趨勢。隨著溫差循環次數的增加，凝膠孔和過渡孔的含量減小，毛細孔和大孔的數量增加，與C25混凝土的結果一致。因此，在熱疲勞作用下，不論混凝土強度高低，其孔隙結構均呈現粗化和劣化的趨勢。

表4 C40混凝土的各類孔徑百分含量

與C25混凝土相比，C40混凝土的孔隙率相對較小，且100 nm以下的孔隙含量相對較多，100 nm以上的孔隙含量相對較少，這也說明強度等級高的混凝土(即水灰比相對較小)的內部結構更為致密，這與超聲波試驗結果一致。但在40 ℃循環溫差的作用下，C40混凝土的孔隙率相對變化值為71.49%，較C25混凝土的56.04%更大，這也可以從微觀層面說明，強度等級高的混凝土受熱疲勞作用的劣化影響更加顯著，即其相對強度下降幅度更大。

3 結 論

(1)熱疲勞作用下，混凝土強度均呈下降趨勢；同一強度的混凝土，循環溫差越大、溫差循環次數越多，其強度下降越多；C40混凝土的強度下降幅度較C25混凝土更大；劈裂抗拉強度較抗壓強度對熱疲勞作用更敏感。

(2)熱疲勞作用下，混凝土的超聲波速呈下降趨勢，同一強度的混凝土，循環溫差越大、溫差循環次數越多，其超聲波速下降越多，即內部裂隙缺陷出現越多；C40混凝土的初始超聲波速大于C25混凝土，且下降幅度更為顯著，與宏觀力學性能相對應。

(3)同一循環溫差作用下，C25混凝土的孔隙率、孔隙總體積、平均孔徑、中值孔徑、最可幾孔徑均隨著溫差循環次數的增多而增大，而孔隙總面積減小，孔徑分布曲線向大孔偏移，小孔含量減少而大孔含量增加，且經過400次溫差循環后，隨循環溫差的增大，其孔隙結構的變化規律亦是如此；與C25混凝土相比，C40混凝土的孔隙率較小而孔隙率相對變化更大，表明強度等級高的混凝土更加致密且更易受熱疲勞劣化作用影響；熱疲勞作用下，混凝土的微觀孔隙結構表現出粗化的特征且呈劣化的趨勢。