热疲劳作用对混凝土力学性能及微观结构的影响

肖帅鹏，李宗利，2，张国辉，李常兵，刘士达，李云波

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100;3.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500)

0 引 言

混凝土材料是非匀质多相复合材料，各相组成的热变形性能差异大，温差作用下的不均匀变形会引起其微裂纹；另外，当环境温度发生变化的时候，混凝土表面温度变化快，而内部温度变化相对滞后[1]，由此产生明显的温度梯度引起的不均匀变形同样会产生微裂纹等劣化现象。这种长期反复的温度交变作用使混凝土内部产生热疲劳应力，导致混凝土出现损伤开裂现象，从而引起混凝土性能的劣化[2]。

在我国西北部分地区，温度变化幅度大，常年处在干燥环境，不但年温差大(1986年新疆最高98.4 ℃),日温差高(1962年新疆最高35.8 ℃)，且地面温度也很高(1974年新疆最高82.3 ℃)，这些地区的环境温度变化对混凝土材料造成的影响十分显著[3]。目前关于温度对混凝土影响的研究多关注冻融循环[4-5]或者高温[6-7]作用，而对于自然环境温度周期性变化使得混凝土产生热疲劳损伤方面的研究还相对较少。韩明明[8]研究了热疲劳作用对高性能混凝土强度的影响规律，但研究采用的浸水降温法增加了湿度的影响。An等[9]选择C60等高性能混凝土来研究热循环(20～65 ℃)对其毛细吸收和力学性能的影响，采用烘箱进行升温，使用20 ℃的环境箱直接进行降温，不符合自然降温过程的同时也致使混凝土表面不可避免地发生冷击效应，且未进行湿度控制。Shokrieh等[10]研究了三个温差循环范围(-30～25 ℃、25～70 ℃、-30～70 ℃)，在25～70 ℃温差范围内其强度出现了较大退化，其中混凝土的抗压强度和抗剪强度分别下降了4.9%和17.4%，虽然在热循环过程中考虑了升降温的稳定性，但仍未进行湿度的控制。Al-tayyib等[11]的研究表明在20～80 ℃范围内经90次热循环后，混凝土抗压强度和抗弯强度分别下降32.0%和27.0%，其研究采用烘箱进行升温，并在烘箱中放置24 h自然降温。Walker等[12]研究了在4.4～60 ℃范围内温度循环速率对混凝土力学性能的影响，研究表明在较高的循环速率下，混凝土的力学性能退化更大。王康等[13]研究了混凝土及其组成材料在25～85 ℃范围内的热胀性，分析了混凝土不同组分的热胀性能及相互影响。上述研究虽探究了热疲劳作用下的混凝土宏观性能演变规律，但在试验中未进行湿度控制。温度变化会引起湿度的耦合变化，而湿度的改变会引起混凝土微观结构变化，对力学性能的影响不容忽视[14-15]。

本文使用高低温交变湿热环境箱严格控制温湿度，使得混凝土试件始终处于湿度恒定不变的环境中，探究在不同循环温差作用下，不同强度等级的普通混凝土在单一因素(环境循环温差)影响下的力学性能演变规律，通过压汞法测定孔隙结构，使用非金属超声检测仪测定超声波速变化规律，从微观层面探讨混凝土热疲劳作用下的劣化机理，为桥梁的箱板、路面、水工渡槽等混凝土薄壁结构精细分析、安全评价提供理论支撑。

1 实 验

1.1 原材料

水泥采用P·C 42.5级复合硅酸盐水泥，标准稠度用水量为26.2%(质量分数)，安定性合格，初凝时间为259 min，终凝时间为324 min，细度为1.5%；细骨料采用机制砂，细度模数为3.1，级配区属1区粗砂(级配合格)，含泥量为0.2%(质量分数)，石粉含量为4.7%(质量分数)，表观密度为2 750 kg/m3，堆积密度为1 610 kg/m3，有害物质含量均在规定值以下；粗骨料采用碎石，粒径为5～20 mm的小石，含泥量为0.1%(质量分数)，表观密度为2 750 kg/m3，堆积密度为1 480 kg/m3，最大粒径为20 mm；混凝土拌和用水选用自来水，满足规范对混凝土试验用水的要求。

1.2 试验仪器及试件制备

试验相关仪器分别采用：重庆颢源环境试验设备公司的SDH205P型高低温交变湿热试验箱，工作室尺寸为700 mm×800 mm×900 mm，温度范围为-20～100 ℃，温度均匀度≤2 ℃，温度波动度≤±0.5 ℃，温度偏差为±2 ℃，湿度范围为30%～98%；深圳博佳衡器公司的高精度电子天平，精度为0.01 g；北京康科瑞公司的NM-4A非金属超声检测分析仪；上海华龙测试仪器公司的WAW-1 000型微机控制电液伺服万能试验机；美国Quantachrome公司的PoreMaster GT型(33/60)型压汞仪，可测孔径范围为7 nm～1 000 μm。

混凝土试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，拌和、标准养护过程按SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》进行，混凝土强度等级包括C25和C40，配合比及抗压强度见表1。

表1 不同强度等级混凝土的配合比及主要参数

1.3 试验设计与方法

先将标准养护28 d龄期的混凝土试件在室内静置5 d(测得室内平均湿度49%，平均温度18.7 ℃)，随后放置在环境箱中。通过程序控制箱内的相对湿度恒为55%。为了避免试样在加热过程中受到热冲击的影响，参考文献[16]建议加热速率应控制在3 ℃/min左右，故本试验以不大于2 ℃/min的升温速率将环境箱在0.5 h内从室温(20 ℃)升至目标温度(40 ℃/50 ℃/60 ℃)，在目标温度下放置1.5 h后，再将环境箱的温度以相同的降温速率降至室温(20 ℃)，并在室温下放置1.5 h。重复进行上述过程，每一次升温到恢复室温为一个循环，共400个循环，温差循环制度如图1所示。

图1 热疲劳作用下的试验方法示意图

按照设置的温差范围、强度等级和循环次数将试件分为34组，每组6块试件(3块用于检测抗压强度，3块用于检测劈裂抗拉强度)，共204块，其中10组为对照组，另24组为试验组。对温差循环前的试件以及不同循环温差作用下循环次数达到100次、200次、300次、400次的试验组试件和同龄期对照组试件进行称重、超声波检测、强度和压汞试验。

2 结果与讨论

2.1 热疲劳作用下混凝土宏观力学性能劣化规律分析

对不同温差循环次数的混凝土试件称重，试验结果表明混凝土试件的平均质量损失率均小于0.6%。研究[17]表明，混凝土在80 ℃下仅脱去自由水，不会对微观结构产生显著影响，由于本文试验的最高温度为60 ℃，可认为在热疲劳作用下混凝土的性能变化仅来自温差作用。另外，为消除龄期对混凝土强度的影响，在试验过程中，将对照组试件放置在标准养护箱中养护，待达到预设的温差循环次数时，取试验组和相应的对照组试件同时进行强度测定。

2.1.1 混凝土强度变化规律

不同强度等级、循环温差下混凝土的相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度(相对强度：温差循环后的强度与同龄期标准养护后的强度的比值)随温差循环次数的变化如图2、图3所示。

由图2和图3可知，C25和C40混凝土的相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度均呈下降的变化规律，且下降趋势基本一致。在前100次温差循环时，强度下降的相对平缓，100～200次温差循环作用时，下降速率明显增大，而在200次温差循环之后，强度下降再次变缓。在20 ℃、30 ℃和40 ℃的循环温差作用下，针对400次温差循环作用后的结果可知，C25混凝土相对抗压强度分别下降了18.15%、20.59%和23.64%，C40混凝土相对抗压强度分别下降了22.28%、27.23%和33.67%； C25混凝土相对劈裂抗拉强度的降幅分别为25.76%、32.03%和34.64%；C40混凝土相对劈裂抗拉强度的降幅分别为29.07%、32.84%和39.31%。由此可知，同一强度的混凝土，循环温差越大，其相对强度下降越多；在相同的循环温差作用下，C40混凝土比C25混凝土的相对强度降幅更大，且劈裂抗拉强度较抗压强度对热疲劳作用更敏感。

图2 热疲劳对混凝土相对抗压强度的影响

图3 热疲劳对混凝土相对劈裂抗拉强度的影响

2.1.2 热疲劳作用对强度的影响分析

随着热疲劳作用次数的增加，混凝土的相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度均呈下降趋势。一方面，温度变化过程中，试件表面与内部形成温度梯度，产生热应力，进而形成微裂纹与微孔隙，对其强度起到劣化作用[1]；另一方面，试件内粗骨料与砂浆的热膨胀系数相差较大，在温度变化过程形成热变形不协调或非均匀变形，致使微裂纹出现而导致强度降低[13]。在整个热疲劳作用过程中，混凝土的强度下降速率由缓到快再到平缓。这是由于在热疲劳作用前期，试件中未水化的水泥颗粒进一步水化，对混凝土的强度有一定的增强作用[14,17-18]，在一定程度上抵消了热疲劳作用对混凝土力学性能的劣化效应；而在100～200次温差循环时，由于湿度控制较好，其再水化作用相对缓和，热疲劳作用下的损伤占主导地位，因此其强度快速下降；而在200次温差循环后，由于热疲劳作用产生的微裂纹、微裂隙增多且更加粗化，致使各相之间由不均匀变形产生的热应力减小，因此强度下降再次变缓。

研究[19]表明在20～60 ℃的温度变化过程中砂浆的热膨胀系数随着水灰比的增加而减小，这表明在热疲劳作用下，水灰比大的砂浆与粗骨料的热应力差异导致的变形相应减小，界面和内部结构的损伤作用变弱；另外，水灰比较大的混凝土内部结构相对疏松，孔隙含量相对较多，在热膨胀过程中为各组分的膨胀提供了较大的缓冲空间，因此C25混凝土较C40混凝土的相对强度下降幅度小一些。在相同条件下，与相对抗压强度相比，热疲劳作用下混凝土的相对劈裂抗拉强度减小更多。这是由于热疲劳作用产生的微裂纹等缺陷对混凝土劈裂抗拉强度影响较抗压强度更明显。

2.2 热疲劳作用下混凝土超声波检测结果分析

不同强度等级、不同循环温差作用以及同龄期对照组的混凝土超声波速随温差循环次数的变化如图4所示。由图可知，在热疲劳作用前，C40混凝土的超声波速比C25混凝土大，这是由于强度等级高的混凝土水灰比相对较小，其内部结构相对较致密。同龄期对照组试件(循环温差为0 ℃)的超声波速均呈上升趋势，这是由于随着龄期的增加，未水化水泥颗粒继续水化，使得其微观结构更加致密。试验组试件随着温差循环次数的增加，其超声波速均呈下降的趋势，且其下降趋势和规律与强度一致，这表明在热疲劳作用下，混凝土内部出现了微裂纹、微裂缝等缺陷。在相同的循环温差作用下，C40混凝土比C25混凝土的超声波速降幅更大。以上结果也从混凝土内部微观结构损伤的角度解释了不同混凝土力学性能变化的差异。

图4 热疲劳对混凝土超声波速的影响

2.3 热疲劳作用下混凝土微观孔隙结构分析

压汞法是一种测定混凝土微观孔隙结构的常用方法[20]。首先对C25混凝土的试验结果进行分析，研究其孔隙结构随循环温差变化的规律，测定热疲劳作用下混凝土的孔隙结构参数和孔径分布规律。不同热疲劳作用下C25混凝土在不同温差循环次数后的孔隙结构变化如表2所示。

表2 C25混凝土的孔隙结构变化

由表2可知，经过不同热疲劳作用后，混凝土内部的孔隙结构发生了显著变化。相同循环温差作用下，随着温差循环次数的增加，混凝土的孔隙率和孔隙总体积均呈增大的趋势，而孔隙总面积呈减小的趋势，这是因为混凝土内部的孔径在增大，而孔的数量在减小(即出现了孔的连通)。经400次温差循环后，随着循环温差的增大，孔隙率和孔隙总体积均呈增大的趋势，这表明循环温差越大，对混凝土的劣化作用越显著。相同循环温差作用下，混凝土的平均孔径和中值孔径随温差循环次数的增多而增大，经400次温差循环后，循环温差越大，混凝土的平均孔径和中值孔径越大，表明热疲劳作用使混凝土内部孔隙呈粗化的趋势。

对混凝土内部孔隙进行分类[21]，分为凝胶孔(<10 nm)、过渡孔(10～100 nm)、毛细孔(100～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)，不同热疲劳作用下C25混凝土在不同温差循环次数后的各类孔径百分含量如表3所示。

表3 C25混凝土的各类孔径百分含量

混凝土的基本孔隙参数可以在一定程度上表征热疲劳作用下混凝土内部孔隙结构的变化规律，而其孔径分布曲线可以更直观地得到各孔径范围的相对含量。图5为不同循环温差作用下、不同温差循环次数后混凝土各孔径的孔体积分布情况。孔径分布曲线呈现出高低主次两个峰值点，主峰值点对应最可几孔径，随着温差循环次数的增加而增大，且向大孔方向移动，其值在毛细孔的孔径范围内；次峰值点随着温差循环次数的增加而减小，亦向大孔方向移动，其值在过渡孔的孔径范围内。

图5 孔径分布曲线

结合图5和表3可知，随着热疲劳的作用，孔径分布曲线的主峰和次峰都向大孔方向偏移，即混凝土的孔隙呈现粗化的趋势，而凝胶孔的含量随着温差循环次数的增加却在减小，说明混凝土在热疲劳作用下持续发生着再水化作用，使得部分凝胶孔被填充，这也可以解释为什么混凝土强度在前100次热疲劳循环过程中下降缓慢，而在100次温差循环以后，大孔含量的增加起到主导作用，使得其强度下降速率加快。无论是图5还是表3都可以看到，随着热疲劳的进行，孔径范围小于100 nm的孔隙含量减小，而大于100 nm的孔隙含量在增加，混凝土内部孔隙结构呈劣化的趋势。

不同强度等级的混凝土的孔隙结构存在着差异，导致其在热疲劳作用下的强度变化有所不同，为揭示高强度等级的混凝土在热疲劳作用下的孔隙结构变化规律，对经40 ℃循环温差作用后的C40混凝土的压汞试验结果进行分析，其孔隙率及各类孔径百分含量如表4所示。

由表4可知，随着温差循环次数的增加，C40混凝土的孔隙率呈增大的趋势。随着温差循环次数的增加，凝胶孔和过渡孔的含量减小，毛细孔和大孔的数量增加，与C25混凝土的结果一致。因此，在热疲劳作用下，不论混凝土强度高低，其孔隙结构均呈现粗化和劣化的趋势。

表4 C40混凝土的各类孔径百分含量

与C25混凝土相比，C40混凝土的孔隙率相对较小，且100 nm以下的孔隙含量相对较多，100 nm以上的孔隙含量相对较少，这也说明强度等级高的混凝土(即水灰比相对较小)的内部结构更为致密，这与超声波试验结果一致。但在40 ℃循环温差的作用下，C40混凝土的孔隙率相对变化值为71.49%，较C25混凝土的56.04%更大，这也可以从微观层面说明，强度等级高的混凝土受热疲劳作用的劣化影响更加显著，即其相对强度下降幅度更大。

3 结 论

(1)热疲劳作用下，混凝土强度均呈下降趋势；同一强度的混凝土，循环温差越大、温差循环次数越多，其强度下降越多；C40混凝土的强度下降幅度较C25混凝土更大；劈裂抗拉强度较抗压强度对热疲劳作用更敏感。

(2)热疲劳作用下，混凝土的超声波速呈下降趋势，同一强度的混凝土，循环温差越大、温差循环次数越多，其超声波速下降越多，即内部裂隙缺陷出现越多；C40混凝土的初始超声波速大于C25混凝土，且下降幅度更为显著，与宏观力学性能相对应。

(3)同一循环温差作用下，C25混凝土的孔隙率、孔隙总体积、平均孔径、中值孔径、最可几孔径均随着温差循环次数的增多而增大，而孔隙总面积减小，孔径分布曲线向大孔偏移，小孔含量减少而大孔含量增加，且经过400次温差循环后，随循环温差的增大，其孔隙结构的变化规律亦是如此；与C25混凝土相比，C40混凝土的孔隙率较小而孔隙率相对变化更大，表明强度等级高的混凝土更加致密且更易受热疲劳劣化作用影响；热疲劳作用下，混凝土的微观孔隙结构表现出粗化的特征且呈劣化的趋势。