大温差环境下混凝土抗热疲劳性能研究

王 康，张玉平，章 杰，周 磊，丁 沙

(湖北省建筑科学研究设计院，武汉 430070)

近年来，随着混凝土结构在寒冷、大温差、盐碱侵蚀等恶劣环境的应用，新的耐久性问题也不断出现，大温差循环作用下混凝土表面的剥落和开裂就是其中的一种表现[1]。

在我国广大地区，年温差普遍较大，为50～80 ℃，少数地区年温差达到90 ℃以上[2]。长期反复的热循环将对结构物表面的水泥基体-集料界面区产生损伤。这种损伤积累将导致表面的剥落、开裂等病害的产生，从而影响混凝土的耐久性[3]。

对于大型的公路铁路桥梁、渡槽等混凝土构筑物，跨度较大、长期暴露在空气中的面积大，在服役期间，与外界环境相互作用，可能会造成化学成分和孔隙结构发生变化，使得此类构件在大温差环境条件下的耐久性裂化更为显著。目前，对混凝土耐久性的研究主要集中在抗冻融、抗碳化、抗氯离子渗透等方面[4]，通过研究混凝土在大温差条件下的抗热疲劳性能，从而改善混凝土结构在极端温度条件下的服役性能，提高混凝土结构的长期耐久性有十分重要的意义。

1 试 验

1.1 试验用原材料

水泥采用P·I 52.5水泥，密度为3 150 kg/m3，比表面积为380 m2/kg。

矿物掺合料包括：阳逻电厂一级粉煤灰，细度3.91%；矿粉采用中建商混有限公司生产的S95级矿渣微粉，比表面积480 m2/kg。

集料包括产自大冶地区的玄武岩(SiO2含量48%)和石灰石(CaO含量55%)，以及中粗河砂，细度模数2.36，含泥量1.0%。

1.2 试验方法

试验试样包括：水泥净浆、水泥胶砂、粗集料和水泥混凝土试样。其中水泥净浆和水泥胶砂试样养护至28 d开始试验。粗集料试样采用机械加工的方法从原石上加工制备。混凝土试样采用2～25 mm连续级配石灰石配制C50混凝土。

热变形大小的测量采用湘潭湘仪器有限公司生产的XPY型线性热膨胀仪，其热变形测量范围为室温至1 200 ℃。为了模拟研究大温差环境下水泥混凝土材料的热变形特性，此次试验的温度范围选为25～85 ℃。在每一温度点仪器自动记录试样的原始长度和加热后的长度。试样的热膨胀率(单位长度伸长值)和热膨胀系数(单位温度下单位长度伸长值)由式(1)和式(2)计算得到。

(1)

(2)

式中，Li，εi和αi为i温度点试样的长度、热应变和热膨胀系数。L0为20 ℃时试样长度；ΔT为升温幅度[5]。

用立方体抗压试验反映混凝土试件热疲劳前后的力学性能变化。

2 结果与分析

2.1 混凝土不同组分在热疲劳下的变化及相互影响

集料在混凝土中所占的体积比最大，是影响混凝土体积变化的主要因素之一[6]。图1与图2分别为粗骨料与硬化水泥浆体的热膨胀率和热膨胀系数相对温度变化的曲线，在图中可明显发现石灰石、玄武岩与水泥硬化浆体之间的热膨胀率和热膨胀系数随温度变化趋势有显著的区别。

在图1中可以看到，从热膨胀率的角度看，水泥石和粗集料随温度变化趋势相似，二者都随着温度的升高而增大，粗集料的热膨胀率始终小于水泥石的热膨胀率，二者的热膨胀差异随温度的增加而增大。说明随着温度的升高，粗集料和硬化水泥浆体在热应力的作用下产生的变形不一致，使得混凝土内部出现应力，材料的结构发生破坏。

在图2中可以看到，硬化水泥浆体的热膨胀系数，随着温度的升高先增长后降低，而石灰石和玄武岩的热膨胀系数随着温度的变化趋势并不明显。可见，在混凝土材料中各组分的热膨胀性质有显著的差异，各组分在温度变化过程中的应变有明显区别。

C50混凝土试件在热疲劳100次后的抗压强度损失率见表1。

表1 混凝土试件在热疲劳后的强度损失率

由表1可见，随着温度的升高，混凝土试件的抗压强度损失率不断增加，当热疲劳次数达到100次时，试件的抗压强度损失率达到了25%。尽管实验室设置的温度不足以高至使水泥混凝土中水化产物失去结晶水而破坏结构，然而混凝土试件的宏观力学性能还是出现了明显的劣化。说明混凝土中不同组分的热膨胀率和热膨胀系数本身的差异和随温度变化趋势的不一致，导致了混凝土宏观力学性能有显著的下降。

2.2 影响混凝土在大温差条件下抗热疲劳性能的因素分析

2.2.1 水灰比对水泥砂浆热变性能的影响

图3 是不同水灰比水泥砂浆试件热膨胀率随温度变化的变化趋势，从图中可以发现，不同水灰比砂浆的热膨胀率随温度的变化趋势相似。在一定的温度范围内随着水灰比的增加，砂浆试件的热膨胀率逐渐减小。其原因可能是水灰比在0.3～0.5范围内变化时，随着水灰比的增加，砂浆试件中孔隙率增加，从而为水泥石的热变形在内部预留出了更大的空间。

2.2.2 水灰比对混凝土试件热变性能的影响

由表2 可知，随着水灰比的增加混凝土的热膨胀系数逐渐降低，但是降低幅度在10%以内。由于在混凝土的组分中集料对硬化水泥浆体具有一定的限制作用，所以混凝土材料的热膨胀系数随水灰比的变化不显著。

表2 不同水灰比混凝土试件的热膨胀系数

2.2.3 矿物掺合料对硬化水泥浆热膨胀性能的影响

采用粉煤灰和矿渣微粉替代净浆中的水泥制备试件，在标准条件下养护至28 d，测定其在规定温差下的热变性能。

硬化浆体中粉煤灰和矿粉对其热膨胀率的影响见图4。在图4中，可以发现粉煤灰的掺入可以减小硬化水泥浆体的热膨胀率，增强了硬化水泥浆体在大温差环境下的惰性，在一定程度上提高了硬化水泥浆体的抗热疲劳性能。同样矿粉的掺入也可以在一定程度上减小硬化水泥浆体的热膨胀率，提高水泥浆体的抗热疲劳性能，但是影响效果没有粉煤灰显著。

2.3 改善混凝土抗热疲劳性能的措施及机理分析

2.3.1 增强混凝土界面过渡区

混凝土材料中硬化胶凝材料浆体与集料之间存在界面过渡区，界面过渡区的密实与否和浆体与集料在界面过渡区处的粘附性能，是影响混凝土宏观力学性能和耐久性的最主要因素之一[7]。然而，如上文所述，混凝土中的不同组分在大温差下的热膨胀率和热膨胀系数都有显著区别，经历大温差条件下的热疲劳后，不同组分间出现大小不同的热应变，作用在界面过渡区，导致了混凝土宏观力学性能和耐久性的显著劣化。

具体实施手段包括掺入粉煤灰、矿粉等矿物掺合料，掺入增加粘附能的有机物改性剂等。

2.3.2 提高硬化水泥浆体与集料的热膨胀协调性

在混凝土各组分中，硬化水泥浆体的热膨胀率显著高于集料的热膨胀率，不同集料的热膨胀性能也不尽相同，不同组分材料在大温差环境条件下的热膨胀性能不一致、不协调，也是混凝土在大温差条件下经历热疲劳后力学性能和耐久性劣化的主要因素之一。

通过一定的方法降低硬化浆体的热膨胀率，同时选择合适的集料配制混凝土，使得混凝土各组分之间的热膨胀性能趋于协同，能提高混凝土在大温差下的抗热疲劳性能。

根据前文的分析，可见在硬化水泥浆体中掺入矿物掺合料能降低其热膨胀率。此外，在混凝土中掺入特定聚合物改性剂也能在一定程度上降低硬化水泥浆体的热膨胀率。

2.3.3 提高硬化水泥浆体的抗拉强度

混凝土经历大温差下的热疲劳后，各组分不同的热膨胀性能，使得混凝土内部存在热应变产生的应力，增强混凝土的材料中水泥石的抗张拉性能，能在一定程度上提高混凝土的抗热疲劳性能。

通过在混凝土中掺入聚丙烯、玄武岩等纤维能有效提高混凝土中硬化水泥浆体的抗张拉强度[8]，在一定程度上提高混凝土的抗热疲劳性能。

3 结 论

该文研究了混凝土及其组成材料在25～85 ℃范围内的热膨胀性，分析了混凝土不同组分的热膨胀性能及其相互影响，分析了不同水灰比和不同矿物掺合料对硬化水泥浆体的热膨胀性能的影响，分析了提高混凝土在大温差条件下抗热疲劳性能的措施和机理，得到以下结论：

1)硬化水泥浆体与石灰石、玄武岩等粗集料的热膨胀率和热膨胀系数有显著区别，且随温度的变化趋势不一致。

2)硬化水泥浆体的热膨胀率在一定范围内随着水灰比的增加而减小，混凝土试件的试验结果呈现相似规律，变化幅度相对较小。

3)粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可显著降低硬化水泥浆体的热膨胀率。

4)通过选择适当的水灰比、掺入矿物掺合料或合适聚合物改性剂、或者掺入纤维，能增强界面过渡区、降低硬化水泥浆体的热膨胀率、增强硬化水泥浆体的抗拉强度，从而提高混凝土的抗热疲劳性能。

[1] 顾明东,高 鹏,张 雄.严寒大温差环境对混凝土性能影响的研究[J].粉煤灰综合利用,2016(3):29-32.

[2] 于淑秋.近50年我国日平均气温的气候变化[J].应用气象学报,2005,16(3):787-793.

[3] 丁 沙.低温度敏感性混凝土的制备技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[4] 袁丰荣.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].城市建设理论研究(电子版),2015(16):1843-1844..

[5] 马新伟，钮长仁.混凝土硬化早期热膨胀的量化方法研究[J].低温建筑技术,2005(2)：8-9.

[6] 吴中伟,廉慧珍 高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社,1999.

[7] 水中和,万惠文.老混凝土中骨料一水泥界面过渡区(ITZ)(I)-元素在界面区的分布特征[J].武汉理工大学学报,2002,24(4):21-23.

[8] 陈金平.聚丙烯纤维对混凝土抗拉性能的影响研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2005.