第1章　緒論

1.1　研究背景及意義

水泥混凝土是我國各類工程建設最為重要和主要的結構材料之一，應用于各類各種復雜地理、氣候和環境條件中[1]，承受溫度、荷載、鹽堿等各種環境作用。大量混凝土結構工程服役過程中觀察到數量不等的開裂現象，其開裂原因十分復雜，多為各種因素復合作用的結果。其中，溫度對混凝土結構的影響是一個不可忽視的因素。這些溫度作用可能是水泥混凝土水化硬化過程中自身放熱引起，也可能是環境溫度變化的結果。研究處于熱環境條件下的混凝土性能改變，可以幫助理解其服役能力，以期尋求提高、改善混凝土材料抗熱作用、減小其熱變形的技術途徑。

水泥混凝土是由水泥漿體、粗細集料、孔隙等多種物相組成的一種復合材料，其組分具有互不相同的熱變形特征。當材料溫度發生變化時，其組成物相也會產生不同熱變形，引起組分熱應變，導致固相組成之間由于熱膨脹性能的差異互相擠壓或拉伸。并且，如果材料由于硬化齡期增加或者與外界組分的反應引起化學成分和孔隙結構改變，則進一步改變其組成及其熱變形性質，改變了混凝土結構溫度條件下的服役性能。[2，3]

水泥混凝土材料服役過程中經歷的熱作用根據溫度范圍不同可以大致分為兩大類：即氣候溫差（負溫～100℃）和高溫過程（高于100℃）。[4]氣候溫差是由于混凝土材料受到氣候環境影響而升溫、降溫的過程，由季節和天氣特征決定。對于大部分工程結構而言，混凝土材料經歷高溫的過程通常是由一些非正常服役環境引起的，如火災、爆炸的高溫環境。本書研究的混凝土材料熱變形特征及其性質演變主要針對氣候溫差因素開展。

熱學性能是混凝土的重要性能之一[5]，熱脹冷縮變化是其中一個常見的熱學行為。國內外許多學者已經基于混凝土的結構破壞對混凝土在高溫區域的性能進行了廣泛深入的研究。[6-9]同時，一些學者們研究了處于低溫范圍的硬化水泥漿體結構的凍脹特征，并且指出硬化水泥漿體里溶液的結冰點并不處于0℃，而是與硬化水泥漿體的孔隙大小有著密切的關系。當水泥漿體處于凍結溫度之下，漿體中的水可劃分為結冰水和過冷水，而硬化水泥漿凍結和膨脹的原因正是由于結冰水產生的體積膨脹壓力和過冷水產生的滲透壓力。[10-12]

當溫度發生變化時，不同材料產生的熱膨脹均不相同。以往對大體積混凝土開裂可理解為水化熱過大而產生的溫差變形。[13]當環境的溫度發生改變時，混凝土材料熱膨脹應變將產生熱應力，增加了材料裂縫形成的可能。[14]因此，水泥混凝土的熱膨脹特性及其組分間的熱相容性是影響其熱穩定性和體積穩定性的重要因素。

熱脹冷縮是混凝土的一個重要特性，短時間的太陽暴曬或是大幅度的溫差變化或是溫度比較溫和的周期性變化都可能會使混凝土出現開裂現象。混凝土材料因溫度變化引起的裂縫，其中一個主要原因可認為是內外溫差變化，由熱脹冷縮和內外熱變形的不一致而導致產生不同特征的裂縫。[15]我國內蒙古、新疆等地區季節溫度差異大，寒暑季節溫度變化劇烈，春秋兩季時間較短，冬夏兩季時間較長，年度溫差變化較大，即使同一日早晚的溫差也變化明顯，可達30～45℃。[16，17]據歷史資料統計，在我國新疆，室外的最高溫度達到了81.4℃，而最低溫度則達到了-43.5℃。

在環境溫差下，混凝土內部各組分間的熱變形不均勻性，而對應的附加熱應力也往往會作用在混凝土內部最薄弱的區域。一旦這種熱疲勞應力超過了混凝土中薄弱區域的剪應力強度時，混凝土內部就會產生微裂紋甚至造成結構的損傷。這種由混凝土組成相之間的熱不相容性原因而導致產生的損傷在不同溫度下都很明顯，被認為是混凝土結構破壞的一個重要原因。在我國新疆、內蒙古等大溫差地區，發現了大量由于溫度的大幅度劇烈變化而引起的混凝土開裂現象。

此外，在我國各類工程建設中，大體積混凝土和超長結構混凝土得到了普遍、廣泛應用。這類結構的特點是混凝土水化硬化過程放熱量大，容易聚集而導致內部溫度急劇上升。因此，由于混凝土的水化放熱和周圍環境輻射而產生的熱量導致大體積混凝土結構的內部溫度出現升高。混凝土在降溫過程中由于受到周圍建成結構的約束或者內部鋼筋約束，產生拉應力，如果超過混凝土極限抗拉能力，則容易導致混凝土開裂。例如，在溫差變化較大地區的一些隧道和大型橋梁等超長結構中，溫度的急劇變化造成混凝土結構出現大幅度熱脹冷縮，常常會造成結構開裂退化，進而影響到其耐久性。

盡管有許多學者對水泥混凝土材料的熱學特性進行了諸多研究，然而卻鮮有研究者指出大溫差地區混凝土材料與結構的熱損傷現象及其機理。因此，本書將研究處于大溫差環境下的水泥混凝土材料與結構損傷機理，進而針對該現象開展抑制技術研究。