大溫差環(huán)境下混凝土抗熱疲勞性能研究

王 康，張玉平，章 杰，周 磊，丁 沙

(湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，武漢 430070)

近年來(lái)，隨著混凝土結(jié)構(gòu)在寒冷、大溫差、鹽堿侵蝕等惡劣環(huán)境的應(yīng)用，新的耐久性問(wèn)題也不斷出現(xiàn)，大溫差循環(huán)作用下混凝土表面的剝落和開(kāi)裂就是其中的一種表現(xiàn)[1]。

在我國(guó)廣大地區(qū)，年溫差普遍較大，為50～80 ℃，少數(shù)地區(qū)年溫差達(dá)到90 ℃以上[2]。長(zhǎng)期反復(fù)的熱循環(huán)將對(duì)結(jié)構(gòu)物表面的水泥基體-集料界面區(qū)產(chǎn)生損傷。這種損傷積累將導(dǎo)致表面的剝落、開(kāi)裂等病害的產(chǎn)生，從而影響混凝土的耐久性[3]。

對(duì)于大型的公路鐵路橋梁、渡槽等混凝土構(gòu)筑物，跨度較大、長(zhǎng)期暴露在空氣中的面積大，在服役期間，與外界環(huán)境相互作用，可能會(huì)造成化學(xué)成分和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得此類構(gòu)件在大溫差環(huán)境條件下的耐久性裂化更為顯著。目前，對(duì)混凝土耐久性的研究主要集中在抗凍融、抗碳化、抗氯離子滲透等方面[4]，通過(guò)研究混凝土在大溫差條件下的抗熱疲勞性能，從而改善混凝土結(jié)構(gòu)在極端溫度條件下的服役性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐久性有十分重要的意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

水泥采用P·I 52.5水泥，密度為3 150 kg/m3，比表面積為380 m2/kg。

礦物摻合料包括：陽(yáng)邏電廠一級(jí)粉煤灰，細(xì)度3.91%；礦粉采用中建商混有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣微粉，比表面積480 m2/kg。

集料包括產(chǎn)自大冶地區(qū)的玄武巖(SiO2含量48%)和石灰石(CaO含量55%)，以及中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.36，含泥量1.0%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試樣包括：水泥凈漿、水泥膠砂、粗集料和水泥混凝土試樣。其中水泥凈漿和水泥膠砂試樣養(yǎng)護(hù)至28 d開(kāi)始試驗(yàn)。粗集料試樣采用機(jī)械加工的方法從原石上加工制備?；炷猎嚇硬捎?～25 mm連續(xù)級(jí)配石灰石配制C50混凝土。

熱變形大小的測(cè)量采用湘潭湘儀器有限公司生產(chǎn)的XPY型線性熱膨脹儀，其熱變形測(cè)量范圍為室溫至1 200 ℃。為了模擬研究大溫差環(huán)境下水泥混凝土材料的熱變形特性，此次試驗(yàn)的溫度范圍選為25～85 ℃。在每一溫度點(diǎn)儀器自動(dòng)記錄試樣的原始長(zhǎng)度和加熱后的長(zhǎng)度。試樣的熱膨脹率(單位長(zhǎng)度伸長(zhǎng)值)和熱膨脹系數(shù)(單位溫度下單位長(zhǎng)度伸長(zhǎng)值)由式(1)和式(2)計(jì)算得到。

(1)

(2)

式中，Li，εi和αi為i溫度點(diǎn)試樣的長(zhǎng)度、熱應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)。L0為20 ℃時(shí)試樣長(zhǎng)度；ΔT為升溫幅度[5]。

用立方體抗壓試驗(yàn)反映混凝土試件熱疲勞前后的力學(xué)性能變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土不同組分在熱疲勞下的變化及相互影響

集料在混凝土中所占的體積比最大，是影響混凝土體積變化的主要因素之一[6]。圖1與圖2分別為粗骨料與硬化水泥漿體的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)相對(duì)溫度變化的曲線，在圖中可明顯發(fā)現(xiàn)石灰石、玄武巖與水泥硬化漿體之間的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)有顯著的區(qū)別。

在圖1中可以看到，從熱膨脹率的角度看，水泥石和粗集料隨溫度變化趨勢(shì)相似，二者都隨著溫度的升高而增大，粗集料的熱膨脹率始終小于水泥石的熱膨脹率，二者的熱膨脹差異隨溫度的增加而增大。說(shuō)明隨著溫度的升高，粗集料和硬化水泥漿體在熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的變形不一致，使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力，材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

在圖2中可以看到，硬化水泥漿體的熱膨脹系數(shù)，隨著溫度的升高先增長(zhǎng)后降低，而石灰石和玄武巖的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化趨勢(shì)并不明顯?？梢?jiàn)，在混凝土材料中各組分的熱膨脹性質(zhì)有顯著的差異，各組分在溫度變化過(guò)程中的應(yīng)變有明顯區(qū)別。

C50混凝土試件在熱疲勞100次后的抗壓強(qiáng)度損失率見(jiàn)表1。

表1 混凝土試件在熱疲勞后的強(qiáng)度損失率

由表1可見(jiàn)，隨著溫度的升高，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率不斷增加，當(dāng)熱疲勞次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到了25%。盡管實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的溫度不足以高至使水泥混凝土中水化產(chǎn)物失去結(jié)晶水而破壞結(jié)構(gòu)，然而混凝土試件的宏觀力學(xué)性能還是出現(xiàn)了明顯的劣化。說(shuō)明混凝土中不同組分的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)本身的差異和隨溫度變化趨勢(shì)的不一致，導(dǎo)致了混凝土宏觀力學(xué)性能有顯著的下降。

2.2 影響混凝土在大溫差條件下抗熱疲勞性能的因素分析

2.2.1 水灰比對(duì)水泥砂漿熱變性能的影響

圖3 是不同水灰比水泥砂漿試件熱膨脹率隨溫度變化的變化趨勢(shì)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同水灰比砂漿的熱膨脹率隨溫度的變化趨勢(shì)相似。在一定的溫度范圍內(nèi)隨著水灰比的增加，砂漿試件的熱膨脹率逐漸減小。其原因可能是水灰比在0.3～0.5范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著水灰比的增加，砂漿試件中孔隙率增加，從而為水泥石的熱變形在內(nèi)部預(yù)留出了更大的空間。

2.2.2 水灰比對(duì)混凝土試件熱變性能的影響

由表2 可知，隨著水灰比的增加混凝土的熱膨脹系數(shù)逐漸降低，但是降低幅度在10%以內(nèi)。由于在混凝土的組分中集料對(duì)硬化水泥漿體具有一定的限制作用，所以混凝土材料的熱膨脹系數(shù)隨水灰比的變化不顯著。

表2 不同水灰比混凝土試件的熱膨脹系數(shù)

2.2.3 礦物摻合料對(duì)硬化水泥漿熱膨脹性能的影響

采用粉煤灰和礦渣微粉替代凈漿中的水泥制備試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，測(cè)定其在規(guī)定溫差下的熱變性能。

硬化漿體中粉煤灰和礦粉對(duì)其熱膨脹率的影響見(jiàn)圖4。在圖4中，可以發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻入可以減小硬化水泥漿體的熱膨脹率，增強(qiáng)了硬化水泥漿體在大溫差環(huán)境下的惰性，在一定程度上提高了硬化水泥漿體的抗熱疲勞性能。同樣礦粉的摻入也可以在一定程度上減小硬化水泥漿體的熱膨脹率，提高水泥漿體的抗熱疲勞性能，但是影響效果沒(méi)有粉煤灰顯著。

2.3 改善混凝土抗熱疲勞性能的措施及機(jī)理分析

2.3.1 增強(qiáng)混凝土界面過(guò)渡區(qū)

混凝土材料中硬化膠凝材料漿體與集料之間存在界面過(guò)渡區(qū)，界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)與否和漿體與集料在界面過(guò)渡區(qū)處的粘附性能，是影響混凝土宏觀力學(xué)性能和耐久性的最主要因素之一[7]。然而，如上文所述，混凝土中的不同組分在大溫差下的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)都有顯著區(qū)別，經(jīng)歷大溫差條件下的熱疲勞后，不同組分間出現(xiàn)大小不同的熱應(yīng)變，作用在界面過(guò)渡區(qū)，導(dǎo)致了混凝土宏觀力學(xué)性能和耐久性的顯著劣化。

具體實(shí)施手段包括摻入粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，摻入增加粘附能的有機(jī)物改性劑等。

2.3.2 提高硬化水泥漿體與集料的熱膨脹協(xié)調(diào)性

在混凝土各組分中，硬化水泥漿體的熱膨脹率顯著高于集料的熱膨脹率，不同集料的熱膨脹性能也不盡相同，不同組分材料在大溫差環(huán)境條件下的熱膨脹性能不一致、不協(xié)調(diào)，也是混凝土在大溫差條件下經(jīng)歷熱疲勞后力學(xué)性能和耐久性劣化的主要因素之一。

通過(guò)一定的方法降低硬化漿體的熱膨脹率，同時(shí)選擇合適的集料配制混凝土，使得混凝土各組分之間的熱膨脹性能趨于協(xié)同，能提高混凝土在大溫差下的抗熱疲勞性能。

根據(jù)前文的分析，可見(jiàn)在硬化水泥漿體中摻入礦物摻合料能降低其熱膨脹率。此外，在混凝土中摻入特定聚合物改性劑也能在一定程度上降低硬化水泥漿體的熱膨脹率。

2.3.3 提高硬化水泥漿體的抗拉強(qiáng)度

混凝土經(jīng)歷大溫差下的熱疲勞后，各組分不同的熱膨脹性能，使得混凝土內(nèi)部存在熱應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力，增強(qiáng)混凝土的材料中水泥石的抗張拉性能，能在一定程度上提高混凝土的抗熱疲勞性能。

通過(guò)在混凝土中摻入聚丙烯、玄武巖等纖維能有效提高混凝土中硬化水泥漿體的抗張拉強(qiáng)度[8]，在一定程度上提高混凝土的抗熱疲勞性能。

3 結(jié) 論

該文研究了混凝土及其組成材料在25～85 ℃范圍內(nèi)的熱膨脹性，分析了混凝土不同組分的熱膨脹性能及其相互影響，分析了不同水灰比和不同礦物摻合料對(duì)硬化水泥漿體的熱膨脹性能的影響，分析了提高混凝土在大溫差條件下抗熱疲勞性能的措施和機(jī)理，得到以下結(jié)論：

1)硬化水泥漿體與石灰石、玄武巖等粗集料的熱膨脹率和熱膨脹系數(shù)有顯著區(qū)別，且隨溫度的變化趨勢(shì)不一致。

2)硬化水泥漿體的熱膨脹率在一定范圍內(nèi)隨著水灰比的增加而減小，混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)相似規(guī)律，變化幅度相對(duì)較小。

3)粉煤灰和礦粉等礦物摻合料可顯著降低硬化水泥漿體的熱膨脹率。

4)通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)乃冶?、摻入礦物摻合料或合適聚合物改性劑、或者摻入纖維，能增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)、降低硬化水泥漿體的熱膨脹率、增強(qiáng)硬化水泥漿體的抗拉強(qiáng)度，從而提高混凝土的抗熱疲勞性能。

[1] 顧明東,高 鵬,張 雄.嚴(yán)寒大溫差環(huán)境對(duì)混凝土性能影響的研究[J].粉煤灰綜合利用,2016(3):29-32.

[2] 于淑秋.近50年我國(guó)日平均氣溫的氣候變化[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2005,16(3):787-793.

[3] 丁 沙.低溫度敏感性混凝土的制備技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4] 袁豐榮.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2015(16):1843-1844..

[5] 馬新偉，鈕長(zhǎng)仁.混凝土硬化早期熱膨脹的量化方法研究[J].低溫建筑技術(shù),2005(2)：8-9.

[6] 吳中偉,廉慧珍 高性能混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1999.

[7] 水中和,萬(wàn)惠文.老混凝土中骨料一水泥界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)(I)-元素在界面區(qū)的分布特征[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(4):21-23.

[8] 陳金平.聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗拉性能的影響研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東),2005.