第1章　绪论

1.1　研究背景及意义

水泥混凝土是我国各类工程建设最为重要和主要的结构材料之一，应用于各类各种复杂地理、气候和环境条件中[1]，承受温度、荷载、盐碱等各种环境作用。大量混凝土结构工程服役过程中观察到数量不等的开裂现象，其开裂原因十分复杂，多为各种因素复合作用的结果。其中，温度对混凝土结构的影响是一个不可忽视的因素。这些温度作用可能是水泥混凝土水化硬化过程中自身放热引起，也可能是环境温度变化的结果。研究处于热环境条件下的混凝土性能改变，可以帮助理解其服役能力，以期寻求提高、改善混凝土材料抗热作用、减小其热变形的技术途径。

水泥混凝土是由水泥浆体、粗细集料、孔隙等多种物相组成的一种复合材料，其组分具有互不相同的热变形特征。当材料温度发生变化时，其组成物相也会产生不同热变形，引起组分热应变，导致固相组成之间由于热膨胀性能的差异互相挤压或拉伸。并且，如果材料由于硬化龄期增加或者与外界组分的反应引起化学成分和孔隙结构改变，则进一步改变其组成及其热变形性质，改变了混凝土结构温度条件下的服役性能。[2，3]

水泥混凝土材料服役过程中经历的热作用根据温度范围不同可以大致分为两大类：即气候温差（负温～100℃）和高温过程（高于100℃）。[4]气候温差是由于混凝土材料受到气候环境影响而升温、降温的过程，由季节和天气特征决定。对于大部分工程结构而言，混凝土材料经历高温的过程通常是由一些非正常服役环境引起的，如火灾、爆炸的高温环境。本书研究的混凝土材料热变形特征及其性质演变主要针对气候温差因素开展。

热学性能是混凝土的重要性能之一[5]，热胀冷缩变化是其中一个常见的热学行为。国内外许多学者已经基于混凝土的结构破坏对混凝土在高温区域的性能进行了广泛深入的研究。[6-9]同时，一些学者们研究了处于低温范围的硬化水泥浆体结构的冻胀特征，并且指出硬化水泥浆体里溶液的结冰点并不处于0℃，而是与硬化水泥浆体的孔隙大小有着密切的关系。当水泥浆体处于冻结温度之下，浆体中的水可划分为结冰水和过冷水，而硬化水泥浆冻结和膨胀的原因正是由于结冰水产生的体积膨胀压力和过冷水产生的渗透压力。[10-12]

当温度发生变化时，不同材料产生的热膨胀均不相同。以往对大体积混凝土开裂可理解为水化热过大而产生的温差变形。[13]当环境的温度发生改变时，混凝土材料热膨胀应变将产生热应力，增加了材料裂缝形成的可能。[14]因此，水泥混凝土的热膨胀特性及其组分间的热相容性是影响其热稳定性和体积稳定性的重要因素。

热胀冷缩是混凝土的一个重要特性，短时间的太阳暴晒或是大幅度的温差变化或是温度比较温和的周期性变化都可能会使混凝土出现开裂现象。混凝土材料因温度变化引起的裂缝，其中一个主要原因可认为是内外温差变化，由热胀冷缩和内外热变形的不一致而导致产生不同特征的裂缝。[15]我国内蒙古、新疆等地区季节温度差异大，寒暑季节温度变化剧烈，春秋两季时间较短，冬夏两季时间较长，年度温差变化较大，即使同一日早晚的温差也变化明显，可达30～45℃。[16，17]据历史资料统计，在我国新疆，室外的最高温度达到了81.4℃，而最低温度则达到了-43.5℃。

在环境温差下，混凝土内部各组分间的热变形不均匀性，而对应的附加热应力也往往会作用在混凝土内部最薄弱的区域。一旦这种热疲劳应力超过了混凝土中薄弱区域的剪应力强度时，混凝土内部就会产生微裂纹甚至造成结构的损伤。这种由混凝土组成相之间的热不相容性原因而导致产生的损伤在不同温度下都很明显，被认为是混凝土结构破坏的一个重要原因。在我国新疆、内蒙古等大温差地区，发现了大量由于温度的大幅度剧烈变化而引起的混凝土开裂现象。

此外，在我国各类工程建设中，大体积混凝土和超长结构混凝土得到了普遍、广泛应用。这类结构的特点是混凝土水化硬化过程放热量大，容易聚集而导致内部温度急剧上升。因此，由于混凝土的水化放热和周围环境辐射而产生的热量导致大体积混凝土结构的内部温度出现升高。混凝土在降温过程中由于受到周围建成结构的约束或者内部钢筋约束，产生拉应力，如果超过混凝土极限抗拉能力，则容易导致混凝土开裂。例如，在温差变化较大地区的一些隧道和大型桥梁等超长结构中，温度的急剧变化造成混凝土结构出现大幅度热胀冷缩，常常会造成结构开裂退化，进而影响到其耐久性。

尽管有许多学者对水泥混凝土材料的热学特性进行了诸多研究，然而却鲜有研究者指出大温差地区混凝土材料与结构的热损伤现象及其机理。因此，本书将研究处于大温差环境下的水泥混凝土材料与结构损伤机理，进而针对该现象开展抑制技术研究。