蘇龍龍 佟姝茜 姜永勝 郭冠群 曾 啟

（1 海洋石油工程股份有限公司；2 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院）

0 引言

混凝土材料在大型LNG 儲(chǔ)罐、火電廠冷卻塔和核電站等能源結(jié)構(gòu)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。然而，能源結(jié)構(gòu)混凝土在溫度循環(huán)作用下極易發(fā)生強(qiáng)度軟化和剛度退化現(xiàn)象[1-2]。由于混凝土是由水泥砂漿、粗細(xì)骨料與砂漿的界面過渡區(qū)（ITZ）等組成的多相復(fù)合材料，骨料與砂漿之間的過渡區(qū)存在著大量的微裂紋與微孔洞，在溫度循環(huán)作用下的損傷演化機(jī)理十分復(fù)雜、難以直接量測(cè)。一般認(rèn)為，骨料與砂漿的界面過渡區(qū)是混凝土中較為薄弱的部分，在一定程度上決定著混凝土的強(qiáng)度[3-5]。界面過渡區(qū)約占凝膠材料體積的30%～40%，具有較高的孔隙率，隨著水化的進(jìn)行及干燥或溫度作用，該區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€(gè)Ca(OH)2（簡(jiǎn)寫CH）晶體定向排列的結(jié)構(gòu)疏松層，極易產(chǎn)生裂縫并誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展[6-7]。為了探究混凝土在受溫度循環(huán)作用后力學(xué)性能退化的機(jī)理，本文通過試驗(yàn)的方式研究水泥凈漿、水泥砂漿的力學(xué)性能，并通過掃描電鏡試驗(yàn)觀測(cè)砂漿、凈漿和界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀結(jié)構(gòu)及相組成變化來(lái)了解溫度循環(huán)對(duì)混凝土材料物理、力學(xué)特性的影響。

1 水泥砂漿與凈漿溫度循環(huán)試驗(yàn)

為了探究能源結(jié)構(gòu)混凝土各相組分受溫度循環(huán)作用的機(jī)理，進(jìn)行了水泥砂漿與水泥凈漿試件的溫度循環(huán)試驗(yàn)。水泥凈漿和水泥砂漿試件的尺寸均為40mm×40mm×160mm。水泥凈漿的水灰比為0.43；水泥砂漿的水灰比為0.52，用砂量為1150kg/m3。采用馬沸爐進(jìn)行試件的溫度循環(huán)試驗(yàn)。

1.1 試件質(zhì)量損失及變形情況

圖1 水泥砂漿與水泥凈漿質(zhì)量變化情況

圖2 水泥砂漿與水泥凈漿變形情況

澆筑水泥砂漿與水泥凈漿試件并拆模，自然環(huán)境灑水養(yǎng)護(hù)28 天后，水泥凈漿收縮變形約為0.0036；水泥砂漿的收縮變形約為0.003。水泥砂漿28 天后初始質(zhì)量約為527g；水泥凈漿質(zhì)量約為440g。以該變形和質(zhì)量為基準(zhǔn)值，記錄經(jīng)過不同升降溫循環(huán)次數(shù)后試件的質(zhì)量變化和變形情況分別如圖1 和圖2 所示。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，水泥砂漿和水泥凈漿的質(zhì)量損失逐漸增大，并在5 次左右溫度循環(huán)之后質(zhì)量損失趨于穩(wěn)定，水泥凈漿的質(zhì)量損失比例明顯高于水泥砂漿，前者高達(dá)約14%，而后者大約穩(wěn)定在6%左右。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多水泥砂漿試件的變形基本保持穩(wěn)定，波動(dòng)幅度小于0.0005；而經(jīng)過20 次溫度循環(huán)后水泥凈漿試件變形穩(wěn)定約為0.004?？傮w上，水泥砂漿相對(duì)于水泥凈漿受溫度循環(huán)作用時(shí)較為穩(wěn)定，材料的質(zhì)量損失和變形均小于水泥凈漿。

1.2 抗折強(qiáng)度變化情況

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用如圖3 所示的試驗(yàn)機(jī)，將試件的一個(gè)側(cè)面置于試驗(yàn)機(jī)支撐圓柱上，試件長(zhǎng)軸垂直于支撐圓柱，通過加荷圓柱以50N/s 的速率均勻地將荷載垂直施加在棱柱體相對(duì)側(cè)面上，直至折斷?？拐蹚?qiáng)度（單位：MPa）采用下式計(jì)算：

式⑴中：Ff為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，N；L為支撐圓柱之間的距離，mm；b 為棱柱體正方形截面邊長(zhǎng)，mm。

圖3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)

在對(duì)水泥砂漿和水泥凈漿試件經(jīng)過不同次數(shù)的溫度循環(huán)處理后，測(cè)量試件的抗折強(qiáng)度。試件在不同次數(shù)的溫度循環(huán)作用下，抗折強(qiáng)度變化情況如圖4 所示。

圖4 水泥砂漿與水泥凈漿抗折強(qiáng)度變化情況

根據(jù)式⑴計(jì)算得到水泥砂漿的初始抗折強(qiáng)度為10MPa，水泥凈漿初始抗折強(qiáng)度為4.2MPa。從圖4 可以看出，水泥凈漿的抗折強(qiáng)度隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多下降比較明顯，溫度循環(huán)5 次后便降低約60%，隨著后續(xù)的溫度循環(huán)作用其強(qiáng)度稍有降低，但相對(duì)穩(wěn)定。相比于水泥凈漿，水泥砂漿的抗折強(qiáng)度高很多，而且受溫度循環(huán)作用的影響較小，水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多處于一個(gè)波動(dòng)的變化，但總體上較為穩(wěn)定，降低幅度為8%左右。

1.3 砂漿與凈漿表觀及斷面變化

將水泥砂漿與凈漿經(jīng)過最高溫度為150℃不同次數(shù)的溫度循環(huán)處理，在升降溫循環(huán)試驗(yàn)過程中，記錄了水泥砂漿和水泥凈漿試件表觀的特征變化，并在抗折強(qiáng)度試驗(yàn)后記錄了試件折斷面的表觀特征。水泥砂漿和凈漿的表觀特征變化情況分別如圖5 和圖6 所示，記錄了升降溫循環(huán)0、10、30、50 次試件的表觀情況。可見，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，水泥砂漿表面孔隙逐漸變多變大，但是沒有出現(xiàn)貫通的裂紋。而水泥凈漿初始狀態(tài)時(shí)試件表面光滑完好，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，其表觀逐漸出現(xiàn)裂紋，并進(jìn)一步貫通，裂紋面越來(lái)越密。

圖5 水泥砂漿表觀特征變化

圖6 水泥凈漿表觀特征變化

在進(jìn)行抗折試驗(yàn)之后，選取不同溫度循環(huán)次數(shù)的試件斷面，記錄其斷面特征，如圖7 和圖8 所示，分別為不同溫度循環(huán)次數(shù)作用后水泥砂漿和水泥凈漿的斷面?？梢姡?jīng)過50 次的溫度循環(huán)作用后，水泥砂漿試件的斷面變化并不明顯，除了水分蒸發(fā)引起的顏色變化，肉眼較難看出孔隙和裂紋的變化；裂紋主要是從表面向內(nèi)部發(fā)展，中心部位較完好，主要是截面周邊出現(xiàn)裂縫；經(jīng)過不同次數(shù)溫度循環(huán)作用后水泥凈漿試件斷面變化明顯，宏觀上出現(xiàn)比較明顯的裂紋，而且經(jīng)過一次循環(huán)后斷面已經(jīng)可以明顯看到裂縫，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，裂縫逐漸從表面沿徑向向內(nèi)部擴(kuò)展。

圖7 水泥砂漿試件斷面特征

圖8 水泥凈漿試件斷面特征

根據(jù)以上宏觀裂紋和孔隙的發(fā)展可以看出，溫度循環(huán)作用時(shí)水泥砂漿受到影響較小，水泥凈漿受到影響較大，在其抗折強(qiáng)度上也能體現(xiàn)出來(lái)?？梢酝茰y(cè)水泥凈漿的強(qiáng)度降低主要是由表面的裂紋發(fā)展導(dǎo)致的。在初始裂紋狀態(tài)下，試件受彎變形時(shí)裂紋沿初始裂縫發(fā)展迅速破壞。

2 混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步厘清混凝土受溫度循環(huán)作用時(shí)性能退化的機(jī)理，通過掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)水泥凈漿、水泥砂漿、砂漿骨料界面區(qū)受溫度循環(huán)作用后其微觀結(jié)構(gòu)的變化及材料的相組成變化進(jìn)行觀測(cè)研究。

2.1 水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)分析

圖9 分別為水泥凈漿在受到0、1、30、50 次溫度循環(huán)作用后掃描電鏡放大5000 倍的微觀結(jié)構(gòu)?？梢姡S著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，水泥凈漿內(nèi)部水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)從初始的片狀逐漸轉(zhuǎn)變成纖維狀，說(shuō)明隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，水泥凈漿的水化產(chǎn)物結(jié)晶度越來(lái)越低。在初始的試件中可以觀察到呈針狀的鈣礬石相，但經(jīng)過一次溫度循環(huán)后就觀察不到鈣礬石相了。由于鈣礬石含量少，總體而言常溫至150℃溫度循環(huán)作用對(duì)水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)影響不大。鈣礬石相作為水泥硬化漿體中重要的早期水化產(chǎn)物之一，對(duì)混凝土早期凝結(jié)、硬化等性能起重要的作用[6-9]。

圖9 水泥凈漿溫度循環(huán)0、1、30、50 次的微觀形貌

第一次升降溫后水泥凈漿抗折強(qiáng)度降低35%可能是由于材料內(nèi)部鈣礬石相分解和膨脹以及不均勻溫度場(chǎng)分布導(dǎo)致，試件形成裂縫后水泥凈漿的抗折強(qiáng)度便大幅降低。在后續(xù)升降溫循環(huán)過程中試件表觀裂紋逐漸發(fā)展，內(nèi)部水化產(chǎn)物結(jié)晶度逐漸變低，加上宏觀上裂紋逐漸演化，導(dǎo)致強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低。溫度循環(huán)對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響主要是在結(jié)晶水的減少，對(duì)水泥凈漿宏觀力學(xué)性能的影響主要是使其裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。

2.2 水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)分析

溫度循環(huán)對(duì)水泥凈漿的影響主要是一個(gè)物理過程，在150℃的較低溫度作用下內(nèi)部不會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。在水泥中混入石英砂（主要成分為SiO2）后，由于SiO2性能更穩(wěn)定，所以也可以推斷溫度循環(huán)對(duì)水泥砂漿影響同樣是物理過程主導(dǎo)的。圖10 分別為水泥砂漿在受到0、1、30、50 次溫度循環(huán)作用后掃描電鏡放大5000倍的微觀結(jié)構(gòu)?？梢姡嗌皾{中的水化產(chǎn)物主要依附在石英砂表面，圖中可以看到砂顆粒較光滑的表面。其水化產(chǎn)物隨著溫度循環(huán)次數(shù)增多的變化過程和水泥凈漿基本一致，但是由于添加了石英砂的緣故，水泥水化產(chǎn)物的形貌更加豐富，主要有片狀、纖維狀、網(wǎng)狀等。初始的水泥砂漿試件中，主要觀察到片狀的凝膠相，也會(huì)有少量的針狀鈣礬石相，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)形成纖維狀和網(wǎng)狀。網(wǎng)狀的凝膠相界面性能較好[9]，在50 次循環(huán)后還能觀察到這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠材料，說(shuō)明溫度循環(huán)作用對(duì)水泥和石英砂之間的界面性能影響較小。

圖10 水泥砂漿溫度循環(huán)0、1、30、50 次的微觀形貌

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，水泥凈漿和水泥砂漿受溫度循環(huán)后其力學(xué)性能變化差異較大。水泥砂漿基本不受影響，抗折強(qiáng)度在8%變化幅度波動(dòng)，表觀不出現(xiàn)裂紋，而水泥凈漿變形和抗折強(qiáng)度都有很大變化，表觀最終會(huì)出現(xiàn)龜裂裂紋。從二者的微觀結(jié)構(gòu)變化可以發(fā)現(xiàn)，溫度循環(huán)作用對(duì)砂漿和凈漿的微觀結(jié)構(gòu)影響較小。但是宏觀的收縮變形還有抗折強(qiáng)度上二者卻差異顯著。二者差異的原因分析如下：

若將水泥砂漿視為非均質(zhì)材料，主要是由于水泥砂漿相比于水泥凈漿其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松，由溫度產(chǎn)生的變形，微觀結(jié)構(gòu)間隙是可以承受的。而水泥凈漿中的微觀結(jié)構(gòu)間隙較小，內(nèi)部致密受溫度影響較大。水泥凈漿由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，第一次升降溫循環(huán)后鈣礬石相分解，膨脹還有不均勻溫度場(chǎng)三者共同作用導(dǎo)致內(nèi)部材料產(chǎn)生損傷，水泥砂漿中同樣也有這三者作用，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有水泥凈漿致密所以不均勻的變形由微觀結(jié)構(gòu)中的空隙彌散掉。

若將水泥砂漿視為均質(zhì)材料，水泥凈漿是脆性材料而水泥砂漿是準(zhǔn)脆性材料。在升降溫循環(huán)過程中由于不均勻溫度場(chǎng)在砂漿內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，150℃溫度作用下砂漿產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力并沒有超過其抗拉強(qiáng)度，而水泥凈漿內(nèi)部則由于不均勻溫度場(chǎng)的內(nèi)應(yīng)力，鈣礬石相膨脹、分解，內(nèi)部應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度引起開裂。隨著溫度循環(huán)次數(shù)增多水泥凈漿裂縫發(fā)展強(qiáng)度逐漸降低。水泥砂漿材料較疏松受溫度作用影響小、強(qiáng)度高，雖然試件表面孔隙稍有發(fā)展，但是沒有出現(xiàn)裂紋貫通現(xiàn)象，所以即使受到多次溫度循環(huán)作用其力學(xué)性能也不會(huì)受到較大的影響。

2.3 混凝土ITZ 微觀結(jié)構(gòu)分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明水泥砂漿受溫度循環(huán)作用時(shí)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形貌受到影響較小，其宏觀力學(xué)性能基本穩(wěn)定。而混凝土作為粗骨料、砂漿、ITZ 三相混合材料來(lái)說(shuō)，骨料性能也相對(duì)穩(wěn)定，所以推測(cè)混凝土受溫度循環(huán)作用力學(xué)性能退化主要是由界面過渡區(qū)損傷導(dǎo)致的。因此通過掃描電鏡試驗(yàn)觀測(cè)不同次數(shù)溫度循環(huán)作用后砂漿骨料界面過渡區(qū)，了解溫度循環(huán)作用對(duì)ITZ 微觀結(jié)構(gòu)的影響。針對(duì)C30 混凝土試件，分別進(jìn)行溫度循環(huán)0、1、30、50 次試驗(yàn)，選取樣品局部含有骨料和砂漿界面過渡區(qū)的部位通過掃描電鏡放大500 倍觀察骨料界面區(qū)的形貌特征，如圖11 所示。為了區(qū)分砂漿和骨料，圖片中藍(lán)色的部分表示粗骨料，黑白部分表示砂漿。

圖11 混凝土溫度循環(huán)0、1、30、50 次ITZ 區(qū)微觀形貌

從圖11 中可以看出初始試件的樣品的界面區(qū)砂漿覆蓋在骨料上，除了邊界處的局部區(qū)域（ITZ）比較粗糙，可以看到砂漿表面也相對(duì)平整；在經(jīng)過一次溫度循環(huán)之后，骨料周邊的砂漿表面比初始試件的樣品粗糙，在界面區(qū)連接不緊密的地方裂紋顯而易見；循環(huán)30 次和50次的微觀形貌比較相似，骨料周邊的砂漿都比較粗糙，而且可以看到凹凸不平的孔洞，說(shuō)明隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，ITZ 區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙在逐漸增多，這與宏觀試驗(yàn)結(jié)果得到的推論是吻合的。

溫度循環(huán)次數(shù)增多后，界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越疏松，界面過渡區(qū)的損傷逐漸累積并且向砂漿內(nèi)部擴(kuò)展。砂漿和骨料在受溫度作用時(shí)由于變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致界面處應(yīng)力集中，界面處的損傷積累較大后，沿骨料向外擴(kuò)展使得周圍的砂漿結(jié)構(gòu)變得疏松，這種疏松的結(jié)構(gòu)相對(duì)于初始的砂漿和骨料的性能來(lái)說(shuō)薄弱很多，因此對(duì)混凝土的受力性能影響較大。

在粗骨料與砂漿的界面過渡區(qū)主要成分是由水泥水化產(chǎn)生的膠凝材料，即水化硅酸鈣與氫氧化鈣。在溫度循環(huán)作用下水化產(chǎn)物的碳化速度加快，膠凝材料與空氣中的二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鈣，所以隨著溫度循環(huán)次數(shù)增多后可以看到晶體顆粒物，就是由混凝土碳化產(chǎn)生的。隨著碳化程度加深，界面區(qū)的損傷累積并且向砂漿擴(kuò)展，在細(xì)觀上的體現(xiàn)就是混凝土內(nèi)部孔隙增大并形成微裂紋，其宏觀力學(xué)性能降低。

3 基于掃描電鏡試驗(yàn)的圖像處理

由于掃描電鏡觀測(cè)混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)比較定性的試驗(yàn)，且對(duì)于不同材料微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度的判定標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，所以擬采用圖像處理的方法，用MATLAB編寫程序，定量地計(jì)算不同溫度循環(huán)次數(shù)作用后混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)的孔隙率。

3.1 圖像處理方法

掃描電鏡圖像是由電子槍發(fā)射并經(jīng)過聚焦的電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)，經(jīng)過檢測(cè)、視頻放大和信號(hào)處理，獲得能反映樣品表面各種特征的掃描圖像。為了能有效對(duì)比不同圖像的孔隙率，需要在掃描電鏡圖像基礎(chǔ)上再進(jìn)行圖像處理，識(shí)別圖像中的孔隙，最后用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)的孔隙率。對(duì)于混凝土各相掃描電鏡圖像處理的主要步驟如下：

⑴將掃描電鏡圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像；

⑵識(shí)別圖像中的孔隙；

⑶將孔隙部分與結(jié)構(gòu)部分圖像二值化；

⑷計(jì)算孔隙率。

由于掃描電鏡得到的微觀結(jié)構(gòu)圖像為灰度圖，對(duì)于混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)，其孔隙部分一般為圖像中的暗部，孔隙部分與結(jié)構(gòu)部分中間為灰部，結(jié)構(gòu)部分則主要為圖像中的亮部。由于掃描電鏡得到的圖像沒有任何干擾和雜質(zhì)信號(hào)，所以識(shí)別孔隙的方法主要是提高圖像的對(duì)比度，將圖像中的暗部與亮部區(qū)分開來(lái)。該部分由參數(shù)Contrast 控制：

Contrast＇取值范圍為-100～100，Contrast 表示亮暗對(duì)比的區(qū)分程度。將圖像對(duì)比度調(diào)整之后識(shí)別孔隙并二值化，采用參數(shù)Average 過濾圖像中的灰度部分，控制方程如式⑶。

其中，Img 表示圖像數(shù)值，Average參數(shù)主要控制圖像的灰度部分，式中±與參數(shù)Contrast 符號(hào)相反。將圖像二值化之后，統(tǒng)計(jì)處理圖片中的暗部，即孔隙部分，暗部像素個(gè)數(shù)與整個(gè)圖像像素和的比值定義為孔隙率。以砂漿和混凝土ITZ 為例，處理前后圖像對(duì)比分別如圖12 和圖13 所示。

3.2 孔隙率計(jì)算

采用上述圖像處理方法分別計(jì)算混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)孔隙率?？紫堵实挠?jì)算主要與參數(shù)和掃描電鏡放大倍率有關(guān)。圖像取倍率為1000 的掃描電鏡圖像，取值為255。對(duì)于混凝土ITZ 微觀結(jié)構(gòu)，參數(shù)取值為100；對(duì)于水泥砂漿與凈漿微觀結(jié)構(gòu)，參數(shù)取值為50。處理結(jié)果對(duì)比參考圖12 與圖13。

圖12 水泥砂漿初始微觀結(jié)構(gòu)（放大1000 倍）

圖13 溫度循環(huán)1 次后的混凝土ITZ 微觀結(jié)構(gòu)（放大1000 倍）

水泥砂漿與水泥凈漿的孔隙率變化如圖14 所示，圖中分別對(duì)比了相同溫度循環(huán)次數(shù)作用下砂漿與凈漿的孔隙率和初始狀態(tài)與溫度循環(huán)50 次后砂漿與凈漿的孔隙率。水泥砂漿初始狀態(tài)與溫度循環(huán)50 次后的孔隙率分別為15.2%與16.09%，溫度循環(huán)50 次后孔隙率的增大幅度為5.8%；水泥凈漿初始狀態(tài)與溫度循環(huán)50 次后孔隙率分別為11.76%與9.64%，溫度循環(huán)50 次后孔隙率的減小幅度達(dá)17.6%。混凝土ITZ 初始試件、溫度循環(huán)1 次、50 次的孔隙率如圖15 所示。三種狀態(tài)下計(jì)算的孔隙率分別為13.27%、17.6%、33.39%。相對(duì)于初始狀態(tài)，經(jīng)過1 次溫度循環(huán)和50 次溫度循環(huán)作用后孔隙率增大幅度分別為32.6%和151.6%。

根據(jù)圖像處理的計(jì)算結(jié)果與混凝土各相微觀結(jié)構(gòu)隨溫度循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律來(lái)看，其整體的規(guī)律是相似的?；炷罥TZ 隨溫度循環(huán)次數(shù)的增多，損傷逐漸增大，且增幅較大；水泥砂漿與水泥凈漿微觀結(jié)構(gòu)受溫度循環(huán)次數(shù)的影響相對(duì)較小，且凈漿相比于砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。采用圖像處理的方法，圖14 與圖15 中混凝土各相孔隙率的變化規(guī)律也進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。

圖14 水泥砂漿與水泥凈漿孔隙率變化

圖15 混凝土ITZ 孔隙率變化

4 研究結(jié)論

本文通過觀察不同溫度循環(huán)次數(shù)作用后混凝土各相的微觀結(jié)構(gòu)，探究溫度循環(huán)對(duì)能源結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)性能影響的微觀機(jī)理。從水泥砂漿和水泥凈漿的宏觀力學(xué)性能，到其微觀結(jié)構(gòu)變化；再到砂漿骨料界面過渡區(qū)不同倍率的微觀形貌和產(chǎn)物變化的分析與推斷，最后用圖像處理的方法驗(yàn)證了分析與推論的準(zhǔn)確性。主要研究結(jié)論如下：

⑴最高溫度150℃的溫度循環(huán)作用后，水泥凈漿和水泥砂漿微觀結(jié)構(gòu)的主要變化在于水化產(chǎn)物的結(jié)晶度變低和鈣礬石相的分解；總體而言微觀結(jié)構(gòu)形貌變化不大。

⑵溫度循環(huán)對(duì)水泥凈漿宏觀力學(xué)性能影響較大，主要由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，受不均勻溫度場(chǎng)的影響較大，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，外部裂縫逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，導(dǎo)致其力學(xué)性逐漸降低；溫度循環(huán)對(duì)水泥砂漿影響相對(duì)較小，因其自身強(qiáng)度高而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比水泥凈漿較疏松，能夠承受和緩解不均勻的溫度應(yīng)力和溫度變形。

⑶隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土砂漿與粗骨料界面區(qū)的損傷逐漸累積，并且逐漸向砂漿內(nèi)部擴(kuò)展。

⑷混凝土砂漿骨料界面過渡區(qū)損傷向砂漿內(nèi)部擴(kuò)展的主要原因在于砂漿和骨料受溫度作用后的不協(xié)調(diào)變形和溫度作用加快了膠凝材料的碳化。隨著溫度循環(huán)次數(shù)增多，界面區(qū)會(huì)生成碳酸鈣晶體顆粒物，其結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致混凝土性能退化。