第2章　水泥混凝土物相间的热相互作用及其调控

2.1　概述

水泥混凝土的主要组成部分为水泥浆体、集料和界面过渡区。其中，集料为致密矿物，其物理性质较为稳定；而水泥浆体自身为一复合结构，包含各类水化产物、未水化水泥颗粒和孔隙等多种组分；界面过渡区为多孔梯度结构，包含较多钙钒石、氢氧化钙等结晶水化产物。界面过渡区的性质受水胶比、矿物掺和料类型和用料因素影响较大，也是水泥浆体和集料之间结合的薄弱界面，强度远较基体浆体和集料低。

水泥混凝土中浆体的物理性质受温度、湿度影响较为显著，这主要由于4个方面原因引起：①浆体所包含的固体矿物具有热胀冷缩的性质，受温度作用产生热变形；②浆体中的孔溶液在温度变化时自身产生体积变形，并且在浆体孔隙结构中产生迁徙，因而引起固体相互作用发生改变；③环境温度和湿度发生改变时，水泥浆体中的液态水分和环境水分产生交换，从而改变了孔隙毛细管力，C-S-H凝胶吸水和失水过程也将显著引起其体积变化，因此浆体同时伴生体积变形；④温度升高时，部分水化矿物开始失去结晶水，发生相变和分解过程，从而导致水泥浆体组分改变，进而引起浆体变形。

综上所述，水泥基材料的物理性质受其组分比例以及环境条件的影响。常见水泥基材料及其组分的物理性质见表2.1。水分的热膨胀性质远高于固体组分，因此水分含量和状态对于水泥浆体和混凝土的热性质具有举足轻重的影响。其次，C-S-H凝胶、未水化熟料颗粒和氢氧化钙的热膨胀系数也显著高于集料。

表2.1　常见水泥基材料及其组分的物理性质

如前所述，水泥混凝土的组成材料具有显著不同的热膨胀性质，因此在环境热作用下将产生不同的热变形，从而产生内部热应力。这部分热应力将在组分界面，尤其是混凝土界面过渡区产生热应力，如果超过界面的结合力，混凝土的开裂在所难免。[108]

温度变化是最常见的环境行为之一，它对水泥混凝土材料结构和性能有重要影响，其中一个明显标志就是材料体积随温度变化而变化。水泥混凝土的温度变形主要取决于硬化水泥浆和集料之间的相互作用，而硬化水泥浆体的温度变形取决于其湿度、初始水灰比和养护龄期等因素。当温度发生变化时，两个热性能不同的物相（硬化水泥浆体和集料）在界面处有相对运动或错动的趋势，而这个趋势的大小主要取决于温度变化的幅度和两种材料热性能的差异程度。对混凝土试件进行升温-降温循环处理，并在显微镜下观察界面区显微结构的变化。结果表明，经过50次热循环，粗集料与硬化水泥浆体的界面过渡区内会产生切向微裂纹。随着热循环次数的增加，裂纹宽度扩大且沿着集料边缘进一步扩展，最终在集料边角处向水泥浆基体内部延伸。[109]上述试验结果证实，自然温度条件下混凝土界面区存在由于结构-温度变化的不协同性而造成界面区损伤机制的存在，但对于其发生条件和发展规律的研究还几乎是空白。

综上所述，构成混凝土的两种主要固相之间具有潜在的热变形差异性，在温度变化过程中两者之间会产生不一致变形，此过程反复进行，就存在着在两相之间相对薄弱的界面过渡区造成损伤的可能性。目前既有研究多是在火灾环境下混凝土材料热致损伤发生的机理，而关于自然环境条件下（温差小于100℃）热循环作用对物相界面结构和性能影响的研究则较为少见，而针对水泥混凝土材料的热相容性质进行组分优化设计的研究则是空白。