第1章　緒論

1.1　研究背景及意義

水泥混凝土是我國(guó)各類(lèi)工程建設(shè)最為重要和主要的結(jié)構(gòu)材料之一，應(yīng)用于各類(lèi)各種復(fù)雜地理、氣候和環(huán)境條件中[1]，承受溫度、荷載、鹽堿等各種環(huán)境作用。大量混凝土結(jié)構(gòu)工程服役過(guò)程中觀察到數(shù)量不等的開(kāi)裂現(xiàn)象，其開(kāi)裂原因十分復(fù)雜，多為各種因素復(fù)合作用的結(jié)果。其中，溫度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)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(guò)程中自身放熱引起，也可能是環(huán)境溫度變化的結(jié)果。研究處于熱環(huán)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(shù)途徑。

水泥混凝土是由水泥漿體、粗細(xì)集料、孔隙等多種物相組成的一種復(fù)合材料，其組分具有互不相同的熱變形特征。當(dāng)材料溫度發(fā)生變化時(shí)，其組成物相也會(huì)產(chǎn)生不同熱變形，引起組分熱應(yīng)變，導(dǎo)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(yīng)引起化學(xué)成分和孔隙結(jié)構(gòu)改變，則進(jìn)一步改變其組成及其熱變形性質(zhì)，改變了混凝土結(jié)構(gòu)溫度條件下的服役性能。[2，3]

水泥混凝土材料服役過(guò)程中經(jīng)歷的熱作用根據(jù)溫度范圍不同可以大致分為兩大類(lèi)：即氣候溫差（負(fù)溫～100℃）和高溫過(guò)程（高于100℃）。[4]氣候溫差是由于混凝土材料受到氣候環(huán)境影響而升溫、降溫的過(guò)程，由季節(jié)和天氣特征決定。對(duì)于大部分工程結(jié)構(gòu)而言，混凝土材料經(jīng)歷高溫的過(guò)程通常是由一些非正常服役環(huán)境引起的，如火災(zāi)、爆炸的高溫環(huán)境。本書(shū)研究的混凝土材料熱變形特征及其性質(zhì)演變主要針對(duì)氣候溫差因素開(kāi)展。

熱學(xué)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(gè)常見(jiàn)的熱學(xué)行為。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)基于混凝土的結(jié)構(gòu)破壞對(duì)混凝土在高溫區(qū)域的性能進(jìn)行了廣泛深入的研究。[6-9]同時(shí)，一些學(xué)者們研究了處于低溫范圍的硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)的凍脹特征，并且指出硬化水泥漿體里溶液的結(jié)冰點(diǎn)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(guān)系。當(dāng)水泥漿體處于凍結(jié)溫度之下，漿體中的水可劃分為結(jié)冰水和過(guò)冷水，而硬化水泥漿凍結(jié)和膨脹的原因正是由于結(jié)冰水產(chǎn)生的體積膨脹壓力和過(guò)冷水產(chǎn)生的滲透壓力。[10-12]

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，不同材料產(chǎn)生的熱膨脹均不相同。以往對(duì)大體積混凝土開(kāi)裂可理解為水化熱過(guò)大而產(chǎn)生的溫差變形。[13]當(dāng)環(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí)，混凝土材料熱膨脹應(yīng)變將產(chǎn)生熱應(yīng)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(wěn)定性和體積穩(wěn)定性的重要因素。

熱脹冷縮是混凝土的一個(gè)重要特性，短時(shí)間的太陽(yáng)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(huì)使混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。混凝土材料因溫度變化引起的裂縫，其中一個(gè)主要原因可認(rèn)為是內(nèi)外溫差變化，由熱脹冷縮和內(nèi)外熱變形的不一致而導(dǎo)致產(chǎn)生不同特征的裂縫。[15]我國(guó)內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)季節(jié)溫度差異大，寒暑季節(jié)溫度變化劇烈，春秋兩季時(shí)間較短，冬夏兩季時(shí)間較長(zhǎng)，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(dá)30～45℃。[16，17]據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)新疆，室外的最高溫度達(dá)到了81.4℃，而最低溫度則達(dá)到了-43.5℃。

在環(huán)境溫差下，混凝土內(nèi)部各組分間的熱變形不均勻性，而對(duì)應(yīng)的附加熱應(yīng)力也往往會(huì)作用在混凝土內(nèi)部最薄弱的區(qū)域。一旦這種熱疲勞應(yīng)力超過(guò)了混凝土中薄弱區(qū)域的剪應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生微裂紋甚至造成結(jié)構(gòu)的損傷。這種由混凝土組成相之間的熱不相容性原因而導(dǎo)致產(chǎn)生的損傷在不同溫度下都很明顯，被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)重要原因。在我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古等大溫差地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了大量由于溫度的大幅度劇烈變化而引起的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象。

此外，在我國(guó)各類(lèi)工程建設(shè)中，大體積混凝土和超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)混凝土得到了普遍、廣泛應(yīng)用。這類(lèi)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是混凝土水化硬化過(guò)程放熱量大，容易聚集而導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升。因此，由于混凝土的水化放熱和周?chē)h(huán)境輻射而產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度出現(xiàn)升高。混凝土在降溫過(guò)程中由于受到周?chē)ǔ山Y(jié)構(gòu)的約束或者內(nèi)部鋼筋約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果超過(guò)混凝土極限抗拉能力，則容易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。例如，在溫差變化較大地區(qū)的一些隧道和大型橋梁等超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中，溫度的急劇變化造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅度熱脹冷縮，常常會(huì)造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂退化，進(jìn)而影響到其耐久性。

盡管有許多學(xué)者對(duì)水泥混凝土材料的熱學(xué)特性進(jìn)行了諸多研究，然而卻鮮有研究者指出大溫差地區(qū)混凝土材料與結(jié)構(gòu)的熱損傷現(xiàn)象及其機(jī)理。因此，本書(shū)將研究處于大溫差環(huán)境下的水泥混凝土材料與結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，進(jìn)而針對(duì)該現(xiàn)象開(kāi)展抑制技術(shù)研究。