第2章　水泥混凝土物相間的熱相互作用及其調控

2.1　概述

水泥混凝土的主要組成部分為水泥漿體、集料和界面過渡區。其中，集料為致密礦物，其物理性質較為穩定；而水泥漿體自身為一復合結構，包含各類水化產物、未水化水泥顆粒和孔隙等多種組分；界面過渡區為多孔梯度結構，包含較多鈣釩石、氫氧化鈣等結晶水化產物。界面過渡區的性質受水膠比、礦物摻和料類型和用料因素影響較大，也是水泥漿體和集料之間結合的薄弱界面，強度遠較基體漿體和集料低。

水泥混凝土中漿體的物理性質受溫度、濕度影響較為顯著，這主要由于4個方面原因引起：①漿體所包含的固體礦物具有熱脹冷縮的性質，受溫度作用產生熱變形；②漿體中的孔溶液在溫度變化時自身產生體積變形，并且在漿體孔隙結構中產生遷徙，因而引起固體相互作用發生改變；③環境溫度和濕度發生改變時，水泥漿體中的液態水分和環境水分產生交換，從而改變了孔隙毛細管力，C-S-H凝膠吸水和失水過程也將顯著引起其體積變化，因此漿體同時伴生體積變形；④溫度升高時，部分水化礦物開始失去結晶水，發生相變和分解過程，從而導致水泥漿體組分改變，進而引起漿體變形。

綜上所述，水泥基材料的物理性質受其組分比例以及環境條件的影響。常見水泥基材料及其組分的物理性質見表2.1。水分的熱膨脹性質遠高于固體組分，因此水分含量和狀態對于水泥漿體和混凝土的熱性質具有舉足輕重的影響。其次，C-S-H凝膠、未水化熟料顆粒和氫氧化鈣的熱膨脹系數也顯著高于集料。

表2.1　常見水泥基材料及其組分的物理性質

如前所述，水泥混凝土的組成材料具有顯著不同的熱膨脹性質，因此在環境熱作用下將產生不同的熱變形，從而產生內部熱應力。這部分熱應力將在組分界面，尤其是混凝土界面過渡區產生熱應力，如果超過界面的結合力，混凝土的開裂在所難免。[108]

溫度變化是最常見的環境行為之一，它對水泥混凝土材料結構和性能有重要影響，其中一個明顯標志就是材料體積隨溫度變化而變化。水泥混凝土的溫度變形主要取決于硬化水泥漿和集料之間的相互作用，而硬化水泥漿體的溫度變形取決于其濕度、初始水灰比和養護齡期等因素。當溫度發生變化時，兩個熱性能不同的物相（硬化水泥漿體和集料）在界面處有相對運動或錯動的趨勢，而這個趨勢的大小主要取決于溫度變化的幅度和兩種材料熱性能的差異程度。對混凝土試件進行升溫-降溫循環處理，并在顯微鏡下觀察界面區顯微結構的變化。結果表明，經過50次熱循環，粗集料與硬化水泥漿體的界面過渡區內會產生切向微裂紋。隨著熱循環次數的增加，裂紋寬度擴大且沿著集料邊緣進一步擴展，最終在集料邊角處向水泥漿基體內部延伸。[109]上述試驗結果證實，自然溫度條件下混凝土界面區存在由于結構-溫度變化的不協同性而造成界面區損傷機制的存在，但對于其發生條件和發展規律的研究還幾乎是空白。

綜上所述，構成混凝土的兩種主要固相之間具有潛在的熱變形差異性，在溫度變化過程中兩者之間會產生不一致變形，此過程反復進行，就存在著在兩相之間相對薄弱的界面過渡區造成損傷的可能性。目前既有研究多是在火災環境下混凝土材料熱致損傷發生的機理，而關于自然環境條件下（溫差小于100℃）熱循環作用對物相界面結構和性能影響的研究則較為少見，而針對水泥混凝土材料的熱相容性質進行組分優化設計的研究則是空白。