水热耦合养护混凝土蠕变特性试验

Creep properties of concrete under hydrothermal coupling curing

摘要

为研究不同温度水热耦合养护对混凝土蠕变特性的影响，进行了20、40、60、80 ℃水热耦合养护60 d单轴压缩试验、分级压缩蠕变试验和SEM扫描电镜试验。结果表明：养护20 d内各温度水热耦合养护混凝土强度明显高于正常养护混凝土，60 ℃水热耦合养护混凝土强度提高率最大达54.8%，之后各温度水热耦合养护混凝土强度降低，至养护60 d时均低于正常养护混凝土。随着水热耦合温度升高，混凝土蠕变性能先提高后降低，经历60 ℃水热耦合养护后显著提高了混凝土蠕变性能，与正常养护相比，蠕变强度提高了22.24%，蠕变时间延长了23.95 h，瞬时应变和蠕变应变分别下降了6.4%和32%；但经历80 ℃水热耦合养护对混凝土蠕变特性产生较大的负面效应。基于试验结果对Burgers蠕变模型参数进行辨识，所得理论曲线与试验数据吻合较好。

Abstract

To study the influence of hydrothermal coupling curing at different temperatures on the creep characteristics of concrete， uniaxial compression test， multistage creep test， and scanning electron microscope （SEM） test of concrete after hydrothermal coupling curing at 20， 40， 60， 80 ℃ were conducted. The results show that the strength of concrete under different temperatures in hydrothermal coupling curing is significantly higher than that of normal curing in the 20 days of curing. The maximum increase rate of concrete strength under the hydrothermal coupling curing at 60 ℃ is 54.8%. Then the strength of concrete decreases at different temperatures hydrothermal coupling curing， and the strength is lower than the normal curing after curing 60 days. With the increasing hydrothermal coupling temperature， the creep performance of concrete first increases and then decreases. The creep properties of concrete were significantly improved after the hydrothermal coupling at 60 ℃， and the creep strength was increased by 22.24%， the creep time was extended by 23.95 hours， the instantaneous strain and creep strain were decreased by 6.4% and 32%， respectively， compared with normal curing. However， after experiencing hydrothermal coupling at 80 ℃， it will have a greater negative effect on the concrete creep properties. Based on the test results， the Burgers creep model agrees well with the creep test data.

Graphical abstract

关键词

结构工程 / 水热耦合养护 / 混凝土 / 蠕变 / 本构模型 / 微观结构

Key words

structure engineering / hydrothermal coupling curing / concrete / creep / constitutive model / micro structure

0 引 言

水热耦合环境对混凝土水化及养护产生较大影响，如在深埋高地温隧道、矿井巷道、硐室等环境下，容易导致衬砌结构开裂、支护材料力学及耐久性降低，再如我国南方地区环境湿热特征显著，建筑用混凝土受水热耦合作用影响严重^［1］。

混凝土蠕变特性影响结构安全及使用寿命^［2］，学者们对此开展了大量研究，Gong等^［3］研究了混凝土硫酸盐干湿循环下的蠕变性能，提出了硫酸盐干湿循环侵蚀后的蠕变模型。Su等^［4］试验得出蠕变微损伤积累逐渐转化为不可恢复变形，揭示了混凝土本构模型中黏弹性的原因是滞后恢复和随时间变化的行为。辛亚军等^［5］进行了2种加载速率下的混凝土单轴压缩蠕变试验，认为蠕变破坏应力水平提高，蠕变应变速率整体降低。养护或服役温湿度也会对混凝土结构产生不可忽视的影响，Zhao等^［6］研究了养护温度对粉煤灰混凝土蠕变行为的影响。李想等^［7］分析了100~300 ℃下的混凝土短时蠕变特性，结果表明：混凝土蠕变量、蠕变速率等均随温度升高而逐渐降低。刘雨姗等^［8］进行了室温至800 ℃后页岩陶粒轻骨料混凝土分级压缩蠕变试验，结果表明超过600 ℃后混凝土蠕变应变明显增大，基于试验结果对Burgers蠕变模型进行了参数辨识。研究表明：温度对混凝土蠕变行为的影响不容忽视，实际工程混凝土受动态水热耦合环境影响，如水热型高地温隧道、深埋矿井巷道、夏季高温暴雨等^［9，10］，导致巷（隧）道衬砌结构受高温岩体及裂隙水影响诱发结构失效，相关研究较少。

本文设置20~80 ℃的干湿循环水热耦合养护来模拟动态温湿环境，对水热耦合养护60 d混凝土进行单轴压缩、分级加载蠕变和微观试验，分析不同温度水热耦合养护混凝土抗压强度损失、蠕变特性及微观损伤机理。

1 材料与方法

1.1　原材料

采用水泥为八公山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，化学成分见表1；粉煤灰为河南大唐电厂产Ⅰ级粉煤灰，化学组分见表2；粗骨料选用石灰质碎石，粒径5~15 mm的连续级配，表观密度2 780 kg/m³；细骨料选用淮河中粗砂，细度模数2.65，表观密度2 500 kg/m³；减水剂为陕西秦奋建材有限公司生产的HPWR型高性能减水剂。

1.2　配合比设计

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）进行配合比设计^［11］，强度设计值为C30，水灰比为1∶0.45，具体配合比见表3。测试混凝土3 d强度为14.3 MPa，28 d强度为32.6 MPa。

1.3　试验方法

为模拟混凝土在水热耦合作用下的养护过程，采用不同温度下的干湿循环试验，测试混凝土在反复干燥、湿润状态下的性能劣化规律。为使混凝土在短时间内看到劣化规律，采用干湿时间比为1∶5^［12］。

采用\varphi50 mm×100 mm的圆柱体试件，分别在20、40、60、80 ℃恒温水浴箱中浸泡40 h，在105 ℃恒温干燥箱中干燥6 h，再自然风干2 h，此为一次干湿循环，一个循环2 d，同时设置置于标准养护环境下（温度（20±2） ℃，相对湿度≥95%）的混凝土为对照组。养护完成后，在（105±5） ℃烘干24 h，直到完全干燥，确保水泥水化反应结束，进行单轴压缩和分级加载蠕变试验。记NC-20为标准养护混凝土，NC为普通混凝土，20代表养护温度为20 ℃，DW-20、DW-40、DW-60、DW-80则分别表示在20、40、60、80 ℃下的水热耦合养护混凝土。

选用CLY15016型电子蠕变松弛试验机对不同水热耦合养护后的混凝土试件进行单轴压缩和分级压缩蠕变试验。单轴压缩试验以0.5 kN/s速率加载获得抗压强度，分级压缩蠕变试验采用等量分级递增的加载方式，加载速率为0.5 MPa/s，设计第一级恒载应力为12 MPa，此后逐级递增3 MPa直至试件破坏，每级恒载应力保持12 h。试验过程中计算机自动采集应力及应变数据，加载期间第一级采样频率为10 Hz，恒定荷载期间采样为0.1 Hz；此后采样频率为5 Hz，恒定荷载期间采样频率为0.05 Hz。加载系统通过数据反馈自动进行应力调整，使混凝土在蠕变过程中所受应力保持定值。试验结束后从单轴压缩试验压碎的试块中取样，使用日立产S-3400N型扫描电子显微镜进行微观形貌分析。

2 结果与分析

2.1　抗压强度损失

对经历水热耦合养护后的混凝土进行单轴抗压强度测试，结果见图1。

由图1可得，在养护初期20 d内，经历各温度干湿循环后，混凝土强度明显高于标准养护条件，在20 d时，DW-20、DW-40、DW-60、DW-80强度分别较NC-20提高11.6%、10.0%、54.8%和18.5%，说明在养护初期高温对混凝土养护水化有益。随养护时间延长，标准养护条件下的强度随之提高，且变化幅度不大；但不同温度水热耦合养护条件会加速混凝土抗压强度峰值形成。不同温度干湿循环下，混凝土达到最高强度前后会出现一段强度滞留期，其间强度大致不变，少数出现波动。

具体地，60 ℃水热耦合养护下在20 d达到峰值47.79 MPa，之后强度下降，处于停滞期，80 ℃水热耦合养护下在30 d前抗压强度逐步上升达到峰值40.61 MPa，之后开始下降，处于停滞期，20 ℃和40 ℃水热耦合养护下都在40 d达到峰值前，养护10~20 d阶段处于停滞期，达到峰值后逐渐下降。20 ℃和40 ℃水热耦合养护下总体变化趋势较为平缓，而60 ℃和80 ℃水热耦合养护下在强度出现最高峰后下降迅速。这是由于高温高湿加速混凝土内部水化反应，后期对强度的增强作用衰退，进一步叠加干湿循环侵蚀作用，导致温度越高性能下降越明显^［13］，完成60 d水热耦合养护后，各组试件抗压强度均低于NC-20。

2.2　蠕变特性

2.2.1　蠕变曲线

图2所示为混凝土在水热耦合养护60 d后的分级加载压缩蠕变曲线。

由图2可见，各试件应变的时程曲线均表现出阶梯状上升，在第1阶段应力加载瞬间应变曲线出现突变，产生瞬时变形；应力达到目标值并保持恒定时，应变时程曲线逐渐平稳，产生蠕变变形。当恒载应力值较低时，变形的主要组成部分为加载阶段的瞬时变形，稳压阶段应变曲线较为平缓，随着恒载应力逐级递增，稳压阶段试件的蠕变变形值随之增大，应变曲线斜率增大，表现为减速蠕变和等速蠕变。在最后一级加载作用下轴向应变突然增大并伴随蠕变破坏，表现为加速蠕变。因此，整体分级加载蠕变阶段可分为减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3阶段^［14］，试验结果数据汇总见表4。

结合图2和表4，混凝土经历不同温度水热耦合养护60 d后蠕变破坏保持在5~7阶段，其中NC-20和DW-40蠕变阶段最短，DW-60蠕变阶段最长，蠕变时间较NC-20延长了23.95 h。

由表4比较各组试件蠕变破坏应力与单轴峰值应力比，可见经过高温水热耦合养护后的混凝土蠕变性能要好于标准养护混凝土，其中DW-60试件蠕变强度较NC-20提高了22.24%，有效提高了混凝土蠕变强度。这与混凝土经历水热耦合养护后单轴抗压强度降低的试验结果不一致，证明通过蠕变试验探究混凝土长期力学性能很有必要。经历80 ℃水热耦合养护后，混凝土蠕变应变最大，且在第4阶段出现断裂，表明DW-80在第4阶段混凝土出现较大不可逆的损伤；而经历40 ℃水热耦合养护后，混凝土蠕变应变最小，反映出DW-40混凝土内部较为密实，压缩形变小。

2.2.2　瞬时应变

图3为不同温度水热耦合养护60 d后的蠕变瞬时应变与应力关系图，由图可见，不同温度水热耦合养护混凝土在各级应力作用下所产生的瞬时变形随恒载应力基本呈线性增加。NC-20和DW-20直线非常相近，反映出标准养护与20 ℃水热耦合养护条件下混凝土蠕变瞬时应变变化规律相近，损伤程度相似；而DW-40和DW-60在初始阶段相较于NC-20应变分别降低了26.2%和6.4%，而DW-80在初始阶段较NC-20在应变增加了23.0%，随着应力增加，应变发展呈线性关系，这表明混凝土蠕变瞬时应变主要与温度相关，在水热耦合环境下干湿循环动态变化对混凝土瞬时应变影响较小。

对图3中各组数据进行拟合，获得瞬时应变与应力水平拟合公式，具体见表5。由表5可见，各组拟合公式R²均大于0.98，拟合度较高，拟合公式中斜率k越大，则拟合直线越陡峭，说明应变随恒载应力增幅提高而产生的应变越大。

由图3和表5中结果可以发现，k随水热耦合温度升高先降低后增加，DW-60斜率最小，而DW-80斜率最大，且瞬时应变始终最大，说明水热耦合温度在60 ℃下增强了混凝土的蠕变性能，而超过60 ℃后混凝土蠕变性能开始明显下降，内部损伤速率加快，混凝土压缩应变上升速度加快。

2.2.3　蠕变应变

混凝土蠕变应变主要包括加载初期的瞬时应变和长时间恒载下的蠕变应变，因此，将混凝土试件各加载等级中产生的总应变减去各加载等级初期的瞬时应变，得出各加载等级下的蠕变应变，见图4。

由图4可得，各组试件在长时间恒载下蠕变应变变化规律类似。在低应力等级下蠕变应变曲线相近，呈现波动变化，各组试件在第1级恒载应力下蠕变应变变化较快，这是因为混凝土内部存在大量孔隙，加载开始阶段混凝土内部结构被压密，水泥基体与集料颗粒间相对滑移较大。随恒载应力不断递增，蠕变应变逐渐呈现非线性增长，尤其在临近破坏阶段，蠕变应变随时间迅速增大，试件随即发生蠕变破坏，相关研究也显示出类似的规律^［15］。

具体地，在初始加载12 MPa阶段，DW-20和DW-80蠕变应变分别较NC-20增加了20%和28%，而DW-40和DW-60蠕变应变分别较NC-20减少了52%和32%，说明DW-40和DW-60试件经过高温水热耦合养护，内部结构密实，低应力阶段压缩变形相接近，压缩量随应力水平提升而增加。而随着水热耦合养护温度进一步升高，试件蠕变性能下降，DW-80在加载21 MPa阶段应变最大，出现明显转折。结合试验现象可知，在此阶段试件表面已经出现长大裂缝，但却未完全破碎，侧面反映出DW-80在分级加载下蠕变性能较弱、抵抗应力水平较低，在21 MPa应力水平就有随时破坏的可能，因此，蠕变应变出现突变。

2.2.4　蠕变速率

对图2所示混凝土蠕变时程曲线在各时间点处进行一阶求导，获得蠕变速率曲线，选取正常养护NC-20和水热耦合养护后蠕变加载应变最明显的DW-80进行分析，如图5所示。

由图5对比DW-20和DW-80的蠕变速率，加载第1阶段两组混凝土蠕变速率相接近，而DW-80在第2~第5阶段蠕变速率下降。两组试件蠕变速率均是在加载瞬间产生一个较高的应变速率，对应试件减速蠕变阶段产生的瞬时变形，其后蠕变速率下降，随着时间推移，蠕变速率整体表现为波动性变化。瞬时应变速率随恒载应力增大呈递减趋势，在最后加速蠕变阶段突增，随后试件破碎。

为更加直观地描述混凝土稳定蠕变阶段速率的变化规律，定义每级荷载下稳压阶段的稳态蠕变速率{\epsilon }^{\text{'}}的计算式为^［16］：

{\epsilon }^{\text{'}}=\frac{{\epsilon }_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{2}}-{\epsilon }_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{1}}}{t_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{2}}-t_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{1}}}（1）

式中：ε_cr1、ε_cr2分别为每级稳定阶段的起点和终点对应的蠕变量，10^-2；t_cr1、t_cr2分别为每级稳定蠕变阶段的起点和终点对应的时间，h。

根据式（1）计算各级恒载应力下试件的稳态蠕变速率，如图6所示。

由图6可得，不同温度水热耦合养护后试件在稳压阶段的稳态蠕变速率均随恒载应力增加呈现非线性变化，在试验初期恒载应力较低时始终保持在一个较低值，且整体波动幅度较小，随恒载应力逐级递增，稳态蠕变速率逐步增加。在最后一级恒载应力作用下，稳态蠕变速率迅速激增，通常预示着即将发生蠕变破坏。

在相同恒载应力水平下，NC-20、DW-20、DW-40、DW-60、DW-80试件稳态蠕变速率变化范围分别为0.001 6~0.005 3 （×10^-2·h^-1）、0.001 6~0.004 9 （×10^-2·h^-1）、0.001 0~0.003 2 （×10^-2·h^-1）、0.000 9~0.003 3 （×10^-2·h^-1）、0.001 5~0.006 1 （×10^-2·h^-1），稳态蠕变速率反映了试件在长期荷载下变形的稳定性，在相同养护龄期下，DW-80的波动范围远大于DW-40和DW-60。原因在于80 ℃相较于40 ℃和60 ℃的水热耦合养护下混凝土内部水化结构疏松破坏，加强了混凝土破坏的脆性及突发性，稳态蠕变速率的波动较大。可见，随着养护龄期延长，超过80 ℃水热耦合养护后混凝土内部结构疏松及孔隙结构贯通使其在高应力作用下更易发生不稳定变形。

2.2.5　蠕变比

在分级加载蠕变试验过程中，加载时试件产生瞬时应变，在应力保持恒定期间应变继续增加，即产生蠕变变形。为更好地理解不同加载时间对试件蠕变行为的影响，定义蠕变比φ，即蠕变应变与总应变的比值^［17］，表达式为：

\phi =\frac{{\epsilon }_{\mathrm{c}}}{{\epsilon }_{\mathrm{t}}}\times \mathrm{100}\%（2）

式中：φ为蠕变比；ε_c为蠕变应变，10^-2；ε_t为总应变，10^-2。

根据式（2），计算不同温度水热耦合养护后试件的蠕变比，见图7。

由图7可得，不同温度水热耦合养护后混凝土的蠕变比随应力水平增加呈现出短暂下降-缓慢增长-急速增长的特征，曲线整体呈抛弧线形。其中DW-80变化规律存在差异，这是由于试件在第4加载阶段出现较大破裂变形所致。

对比图7中各曲线可见，除DW-80外，经历水热耦合养护后各组混凝土蠕变比均小于NC-20，证明适当温度的水热耦合养护可降低混凝土蠕变速率，增强蠕变性能。经过第1级恒载应力后，蠕变比有一定幅度下降，随着应力水平继续升高，蠕变比开始表现出波动变化，但曲线存在一个突变点，突变点之后，曲线急速上升，表明蠕变变形迅速发展，试件变形呈现不稳定性，预示试件即将破坏，因此，称曲线突变点处恒载应力为蠕变破坏临界应力。

NC-20、DW-20、DW-40、DW-60、DW-80蠕变临界应力分别为21、24、24、27、21 MPa，由此可见，蠕变临界应力随养护温度升高呈先增大后减少。蠕变比曲线中拐点的后移使稳定阶段逐渐延长，但达到80 ℃后混凝土长期稳定性开始急剧下降，产生较强的负面效应。

混凝土蠕变性能劣化规律结果表明：各组试件在20~60 ℃水热耦合养护下蠕变性能逐渐提高，而至80 ℃后性能急速下降。DW-60较NC-20，蠕变强度提高了22.24%，蠕变时间延长了23.95 h，瞬时应变和蠕变应变分别下降了6.4%和32%。说明适当提高养护温度增加了混凝土内部结构的密实度，提高了长期负载能力，而超过60 ℃后混凝土蠕变性能出现明显下降。

2.2.6　Burgers蠕变模型

由试验数据可知，各组混凝土除最后一级应力水平外，其余各级蠕变曲线均由减速蠕变阶段-等速蠕变阶段组成，因此，选用Burgers模型来描述试件的蠕变特性，如图8所示。

确定蠕变参数，根据文献［18］，单向压缩蠕变试验中受到轴向应力σ₁作用下的轴向变ε₁（t）为：

\begin{array}{l}{\epsilon }_{\mathrm{1}}(t)=\frac{\mathrm{2}{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{9}K}+\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}\left[\mathrm{1}-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\frac{E_{\mathrm{K}}}{{\eta }_{\mathrm{K}}}t\right)\right]+\\ \frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{M}}}+\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{\eta }_{\mathrm{M}}}t\end{array}（3）

式中：σ₁为轴向应力，MPa；K为体积模量，MPa；t为蠕变时间，h；E_M、η_M分别为Maxwell体弹性模量和黏度，MPa、GPa·h；E_K、η_K分别为Kelvin体弹性模量和黏度，MPa、GPa·h。

当t=0时，曲线在纵轴上的截距为瞬时弹性应变ε_e，即

{\epsilon }_{\mathrm{e}}=\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{9}K}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{M}}}\right){\sigma }_{\mathrm{1}}（4）

当t足够大时，蠕变曲线近似为直线，在纵轴上截距为ε_a：

{\epsilon }_{\mathrm{a}}=\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{9}K}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{M}}}\right){\sigma }_{\mathrm{1}}（5）

该直线的斜率为m_a，即

m_{\mathrm{a}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{\eta }_{\mathrm{M}}}（6）

由式（6）可确定参数η_M。

由于荷载通常不能瞬间施加，因此，在实际应用时还采用以下方法求瞬时弹性应变ε_e，令：

q\left(t\right)=\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\frac{E_{\mathrm{K}}}{{\eta }_{\mathrm{K}}}t\right)（7）

则q（t）为蠕变试验曲线与第2阶段蠕变曲线直线延长线的垂直距离。

对式（7）两边同时取对数，得：

\mathrm{l}\mathrm{n}\left(q\right)=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}\right)-\frac{E_{\mathrm{K}}}{{\eta }_{\mathrm{K}}}t（8）

由式（8）可得，ln（q）与t的关系为一直线，则该直线在纵轴截距为ε_q，斜率为m_q，即

{\epsilon }_q=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}\right)（9）

m_q=-\frac{E_{\mathrm{K}}}{{\eta }_{\mathrm{K}}}（10）

由式（9）（10）可确定E_K和η_K。

体积模量K可根据轴向应变ε₁来确定。

K=\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\left(\mathrm{1}-\mathrm{2}\mu \right){\epsilon }_{\mathrm{1}}}（11）

由式（12）可确定参数E_M：

E_{\mathrm{M}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\left[{\epsilon }_{\mathrm{a}}-\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{9}K}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}{E}_{\mathrm{K}}}\right){\sigma }_{\mathrm{1}}\right]}（12）

选取试验中强度损伤明显、蠕变性能较低的DW-80试件为例进行分析，求取蠕变参数。表6给出了不同应力水平下的Burgers模型参数，其中μ=0.2。

将表6中的数据代入式（3），得出各应力水平下的蠕变曲线方程，绘制出蠕变试验实测值与Burgers蠕变模型曲线，见图9。由图9可见，理论预测曲线与实测值拟合较好，且大部分预测值小于实测值，表明Burgers模型能较好地反映80 ℃水热耦合养护后混凝土减速蠕变和等速蠕变特征，且具有一定的安全储备。同时，对20、40、60 ℃水热耦合养护混凝土，按照上述方法推导出不同参数的Burgers模型，也能较好反映混凝土蠕变特征。

2.3　水热耦合养护混凝土微观结构性能劣化

图10给出了NC-20和DW-80试件60 d养护期间的SEM微观形貌特征。

由图10（a）（b）可见，早期初凝结束后混凝土中存在孔隙和裂缝，边缘附近存在很多纤维状C-S-H凝胶和片状堆积的CH，提高了混凝土强度^［19］。对比图10（c）（d）可见，正常养护至30 d内部缝隙被水化产物填充，C-S-H凝胶呈网络状分布，大量CH沉淀物，细长棒状的AFt也很明显；养护至60 d后，内部未见明显孔洞，结构密实，但出现裂缝，水化产物相互堆积，出现明显团状产物，表现为内部孔隙率升高、强度增加。对比图10（e）（f）可见，在80 ℃水热耦合养护下，30 d时内部C-S-H形貌表现为辐射团状，未见细长棒状的AFt，而是出现较多六角片状的AFm；60 d后，水化产物结构疏松，有大量明显孔洞；宏观表现为混凝土强度降低、表面孔洞增加、孔隙率增大。

结合试件力学性能及表观形貌变化规律，总结水热耦合养护混凝土劣化机理如下：水泥水化是一个非常复杂，非均质的多相化学反应过程，通过水泥水化反应，使松散的水泥颗粒变成具有胶结性的水泥浆体，进而黏结各种不同粒径的骨料，形成混凝土水泥基体。因此，水泥水化反应生成晶体黏结强度越高，混凝土强度也越高。硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸二钙C₂S、硅酸三钙C₃S、铝酸三钙C₃A和铝铁酸四钙C₄AF4种矿物组成，含量最多的C₃S和C₂S水化生成C-S-H凝胶和CH填充孔隙^［20］。此外，C-S-H组成还与所处溶液CH浓度相关，在CH饱和溶液中强度更高，晶体更充分、形态会进一步改善，逐渐转变为网状的C-S-H凝胶（Ⅱ型）和C-S-H凝胶（Ⅲ型）^［21］；在早期高温和CH溶液作用激发水化反应提前生成网状C-S-H凝胶，表现为早期表面结构致密，强度迅速增大。然而，相关文献表明^［22］：当混凝土干燥至30%相对湿度时会失去大量吸附水，从而发生收缩；但当相对湿度低于11%时，C-S-H开始分解。因此，干湿循环的干燥状态下，混凝土内部硅酸钙凝胶溶解，浸泡后又反应产生新硅酸钙凝胶；循环反复，水化产物不断堆积，形成上述中疏松多孔的网状结构，导致混凝土力学性能、相对动弹模下降，孔隙增大。

C₃A在早期反应迅速、受温度影响大而生成水石榴石C₃AH₆，由于水泥中掺入石膏CaSO₄·2H₂O，而C₃AH₆与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙AFt，即钙矾石，填充混凝土内部孔隙，降低了有效孔隙率，提高了密实度、抗压强度和动弹性模量；另外，AFt受温度影响较大，在高温条件下开始溶解，可进一步与石膏反应生成单硫型水化硫铝酸钙AFm和CH，结晶性好，但强度低，这是造成混凝土脆性的主要原因^［23］，C₄AF反应与C₃A相似。

3 结 论

（1） 对比不同温度水热耦合养护60 d混凝土单轴抗压强度和蠕变特性，养护前期20 d时，各温度水热耦合养护混凝土性能明显高于正常养护，随着养护时间增加，混凝土性能逐渐降低，至养护60 d后均小于正常养护；而经历水热耦合养护60 d后各组混凝土蠕变强度均大于正常养护混凝土，说明蠕变试验对研究混凝土的长期性能非常必要。

（2）基于蠕变曲线、瞬时应变、蠕变应变、蠕变速率、蠕变比的变化规律，表明经历60 ℃以下水热耦合养护对混凝土产生积极效果，有效提高了蠕变强度，延长了蠕变时间，降低了瞬时应变和蠕变应变，其中DW-60（高温60 ℃水热耦合养护）较NC-20（常温20 ℃养护）蠕变强度提高了22.24%，蠕变时间延长了23.95 h，瞬时应变和蠕变应变分别下降了6.4%和32%；而达到80 ℃水热耦合养护后，混凝土蠕变性能下降，水热耦合作用对混凝土蠕变性能产生负面效应。

（3）以80 ℃水热耦合养护混凝土为例，采用Burgers模型结合实测值推导出适合水热耦合养护后的混凝土蠕变模型，结果表明：实测值与模型拟合公式结果相近，对掌握水热耦合养护混凝土蠕变力学性能劣化规律有积极意义。

（4）选取NC-20和DW-80（高温80 ℃水热耦合养护）试件进行微观分析，在养护早期，混凝土随温度升高水化产物生成速度加快，填充内部空隙，降低孔隙率；而在养护后期，混凝土长期处于反复水热耦合环境下，水化产物逐渐溶解，干湿侵蚀作用加剧，表面孔隙增多、出现裂缝、内部结构疏松，造成混凝土性能下降。

参考文献

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基金资助

淮南市科技计划项目(2023A313)

安徽省住房城乡建设科学技术计划项目(2023-YF048)

矿山建设工程安徽省高校重点实验室开放基金项目(GXZDSYS2022106)

安徽理工大学研究生创新基金项目(2022CX2043)