تأثير التغير اليومي في درجات الحرارة على الخصائص الميكانيكية للخرسانة: التأثيرات الدورية وآليات التلف — مراجعة علمية

المؤلفون

  • هديل اسماعيل جامعة رفيق الحريري. قسم الهندسة المدنية والبيئية، كلية الهندسة، الدامور، لبنان.
  • رانا حج شحادي جامعة رفيق الحريري. قسم الهندسة المدنية والبيئية، كلية الهندسة، الدامور، لبنان
  • محي الدين مشاقة جامعة رفيق الحريري. قسم الهندسة المدنية والبيئية، كلية الهندسة، الدامور، لبنان

الكلمات المفتاحية:

الخرسانة، الضرر الدوري، منطقة الانتقال البينية، التدهور الميكانيكي، الدورات الحراري

الملخص

تتعرض المنشآت الخرسانية بشكل مستمر لتغيرات يومية في درجات الحرارة خلال فترة خدمتها. وعلى الرغم من أن تأثير درجة الحرارة على الخصائص الميكانيكية للخرسانة تمت دراسته بشكل واسع تحت ظروف ثابتة أو درجات حرارة قصوى، إلا أن دراسة تأثير دورات التسخين والتبريد الواقعية الناتجة عن تعاقب الليل والنهار ما تزال غير مكتملة ومجزأة في الأدبيات العلمية الحالية. بناءً على ذلك، تستعرض هذه الدراسة وتجمع نتائج الأبحاث التجريبية والتحليلية التي تناولت تأثير الدورات الحرارية ضمن ظروف التشغيل الطبيعية على:

  • مقاومة الضغط،
  • معامل المرونة،
  • ومقاومة الشد للخرسانة.

تشير الدراسات إلى أن التأثير اللحظي لدرجة الحرارة يختلف بشكل جوهري عن الاستجابة الناتجة عن التكرار الدوري للحرارة. ففي الظروف الحرارية المستقرة، تكون التغيرات في المقاومة والصلابة غالبًا قابلة للعكس. أما عند تكرار فروقات درجات الحرارة بشكل دوري، فإن الضرر التراكمي يبدأ بالتطور تدريجيًا. وينتج هذا الضرر بسبب الاختلاف في التمدد الحراري بين الركام وعجينة الإسمنت، مما يؤدي إلى تولد إجهادات موضعية عند منطقة الانتقال البينية بينهما (Interfacial Transition Zone)، وبالتالي تشكل شقوق مجهرية تدريجية داخل الخرسانة. وقد تؤدي الدورات الحرارية ذات السعات المتوسطة إلى زيادة مؤقتة في مقاومة الضغط نتيجة استمرار عملية الإماهة (Hydration)، إلا أن هذا التأثير يتراجع مع استمرار الدورات الحرارية، حيث تصبح ظاهرة التدهور الميكانيكي هي المسيطرة. وفي المقابل، ما تزال الأدلة المباشرة المتعلقة بتطور مقاومة الشد تحت تأثير الدورات الحرارية اليومية الواقعية محدودة نسبيًا مقارنة بمقاومة الضغط ومعامل المرونة. بشكل عام، يبدو أن التغير اليومي المتكرر في درجات الحرارة يعمل كعملية تعب حراري–ميكانيكي منخفض الشدة، وليس مجرد ظاهرة مرتبطة بدرجة الحرارة فقط. ولذلك، هناك حاجة إلى إجراء تجارب طويلة الأمد وأكثر دقة تحاكي دورات بيئية حقيقية مدتها 24 ساعة، وضمن مجالات حرارية واقعية تقارب 10–50 °C) :)    وذلك لفهم التأثيرات الميكانيكية طويلة الأمد لهذه الظاهرة بشكل أوضح

المراجع

ACI Committee 207. (2016). Guide to mass concrete (ACI 207.1R). American Concrete Institute.

ACI Committee 318. (2019). Building code requirements for structural concrete (ACI 318-19). American Concrete Institute.

Al-Shathr, B., Abdulameer, A., & Al-Attar, T. (2018). The role of ambient temperature variation on drying shrinkage development of self-compacting Portland-limestone cement concrete. MATEC Web of Conferences, 162, 02021. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816202021

An, M., Huang, H., Wang, Y., & Zhao, G. (2020). Effect of thermal cycling on the properties of high-performance concrete: Microstructure and mechanism. Construction and Building Materials, 243, 118310. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118310

Chala, R., & Mourougane, R. (2015). Experimental study of temperature rise and early-age thermal crack control in concrete. International Journal of Research in Engineering and Technology, 4(7), 197–202.

Chen, D., Zou, J., Zhao, L., Xu, S., Xiang, T., & Liu, C. (2020). Degradation of Dynamic Elastic Modulus of Concrete under Periodic Temperature-Humidity Action. Materials, 13(3), 611. https://doi.org/10.3390/ma13030611

Chen, S., Yun, J., Dong, C., Wu, W., & Nie, L. (2023). Non-uniform temperature effect on concrete rectangular hollow bridge pier: Insights from long-term monitoring data. Case Studies in Construction Materials, 20, e02801. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02801

Dang, Y., & Liu, Y. (2013). Deformation of overlong isolated buildings caused by thermal and concrete shrinkage. Mathematical Problems in Engineering, 2013, 1–7. https://doi.org/10.1155/2013/139159

Farzampour, A. (2019). Compressive Behavior of Concrete under Environmental Effects. In IntechOpen eBooks. https://doi.org/10.5772/intechopen.85675

Florian, A., Ševelová, L., & Hela, R. (2012). Statistical analysis of stresses in rigid pavement. Zenodo (CERN European Organization for Nuclear Research), 6(3), 267–271. https://doi.org/10.5281/zenodo.1055872

Ghausi, S. A., & Kleidon, A. (2025). Identifying regional drivers shaping daily maximum temperatures and their extremes   EGU General Assembly 2025. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu25-12438

Han, J., Fang, S., Wang, X., Zhuo, W., Yu, Y., Peng, X., & Zhang, Y. (2024). The impact of intra-annual temperature fluctuations on agricultural temperature extreme events and attribution analysis in mainland China. The Science of the Total Environment, 949, 174904. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174904

He, S., Chen, Z., Liu, C., Chen, J., Chen, H., & Yu, Z. (2025). Effects of thermal cycles on mechanical properties of RPECC: static and dynamic compressive performance. Materials, 18(12), 2846. https://doi.org/10.3390/ma18122846

Huang, K., & Liu, X. (2014). Effects of temperature variations on safety of reinforced concrete structures during construction. Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), 19(2), 139–145. https://doi.org/10.1007/s12204-014-1482-x

Huo, Y., Sun, H., Lu, D., Chen, Z., & Yang, Y. (2022). Mechanical properties of concrete at low and ultra-low temperatures- a review. Journal of Infrastructure Preservation and Resilience, 3(1). https://doi.org/10.1186/s43065-022-00063-4

Jiao, Y., Liu, H., Wang, X., Zhang, Y., Luo, G., & Gong, Y. (2014). Temperature effect on mechanical properties and damage identification of concrete structure. Advances in Materials Science and Engineering, 2014, 1–10. https://doi.org/10.1155/2014/191360

Khan, M. S., Nacer, N., & Khan, S. (2023). Thermal analysis of RC building using ETABS–Part 1. International Journal of Civil Engineering and Technology, 14(5), 83–94. https://doi.org/10.17605/OSF.IO/X78WV

Kim, S., Gopalakrishnan, K., Ceylan, H., & Wang, K. (2010). Early-Age response of concrete pavements to temperature and moisture variations. The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 5(3), 132–138. https://doi.org/10.3846/bjrbe.2010.19

Kotz, M., Wenz, L., Stechemesser, A., Kalkuhl, M., & Levermann, A. (2021). Day-to-day temperature variability reduces economic growth. Nature Climate Change, 11(4), 319–325. https://doi.org/10.1038/s41558-020-00985-5

Krishna, D. A., Priyadarsini, R. S., & Narayanan, S. (2019). Effect of elevated temperatures on the mechanical properties of concrete. Procedia Structural Integrity, 14, 384–394. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2019.05.047

Lagrini, K., Ghafiri, A., Ouali, A., & Moutaki, S. (2019). The effect of repeated temperature variations and freeze–thaw phenomenon on some durability aspects of concrete. International Journal of Advanced Research, 7(9), 135–142. https://doi.org/10.21474/IJAR01/9640

Li, H., Fu, S., Li, G., & Hu, G. (2021). FEA of effects induced by diurnal temperature variation on downstream surface of Xiaowan Arch Dam. Advances in Civil Engineering, 2021(1). https://doi.org/10.1155/2021/6300387

Lyons, R., Ing, M. J., & Austin, S. A. (2019). Influence of diurnal and seasonal temperature variations on the detection of corrosion in reinforced concrete by acoustic emission. Construction and Building Materials, 207, 73–85. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.123

Ma, H., Zhang, S., Fu, H., Li, S., Su, M., & Wu, C. (2024). Effect of thermal cycling on the mechanics and microstructure of ultra-high performance concrete. Construction and Building Materials, 424, 135878. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135878

Mahfuda, A., Siswosukarto, S., & Suhendro, B. (2023). The influence of temperature variations on rigid pavement concrete slabs. Journal of the Civil Engineering Forum, 139–150. https://doi.org/10.22146/jcef.5744

Merbouh, M., Hamouine, A., & Benoudjafar, I. (2012). Effect of Local Temperature during Service On the Strength of Concrete. MATEC Web of Conferences, 2, 04001. https://doi.org/10.1051/matecconf/20120204001

Newell, S., & Goggins, J. (2018). Investigation of Thermal Behaviour of a Hybrid Precasted Concrete Floor using Embedded Sensors. International Journal of Concrete Structures and Materials, 12(1), 66. https://doi.org/10.1186/s40069-018-0287-y

Ortiz, J., Aguado, A., Agulló, L., & García, T. (2005). Influence of environmental temperatures on the concrete compressive strength: Simulation of hot and cold weather conditions. Cement and Concrete Research, 35(10), 1970–1979. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2005.01.004

Osuji, S., & Ukeme, U. (2015). Effects of elevated temperature on compressive strength of concrete: a case study of Grade 40 concrete. Nigerian Journal of Technology, 34(3), 472. https://doi.org/10.4314/njt.v34i3.7

Peng, H., Xie, Q., Wang, C., Zhou, S., & Ju, J. W. (2024). Experimental investigations and micromechanical thermal fatigue models of concrete. International Journal of Damage Mechanics, 34(1), 140–156. https://doi.org/10.1177/10567895241278666

Pichler, B. (2023). Durability of concrete and reinforced concrete structures subjected to temperature cycles: Insight from multiscale thermomechanical analysis. In K. F. Li & D. P. Fang (Eds.), Proceedings of the XVI International Conference on Durability of Building Materials and Components (DBMC 2023). https://doi.org/10.23967/c.dbmc.2023.030

Prasanna, W. G. J., Subhashini, A. P., & Jayawardhana, A. M. C. C. (2010). Cracking due to temperature gradient in concrete. ENGINEER, (4), 43–47.

Qiao, S., Xiong, Z., Li, Y., Ye, Z., He, S., Li, L., & Zeng, Y. (2022). Mechanical properties of seawater Sea-Sand concrete exposed to daily temperature variations. Buildings, 12(5), 517. https://doi.org/10.3390/buildings12050517

Ramírez, J. A., Boroschek, R. L., Aguilar, R., & Ventura, C. E. (2022). Daily and seasonal effects of environmental temperature and humidity on the modal properties of structures. Bulletin of Earthquake Engineering, 20(9), 4533–4559. https://doi.org/10.1007/s10518-022-01460-6

Shoukry, S. N., William, G. W., Riad, M. Y., & Downie, B. (2009). Effect of moisture and temperature on the mechanical properties of concrete. In Proceedings of the SEM Annual Conference (June 1–4, 2009, Albuquerque, NM, United States).

Son, H. N., & Hosoda, A. (2010). Detection of microcracking in concrete subjected to elevated temperature at very early age by acoustic emission. Journal of Advanced Concrete Technology, 8(2), 201–211. https://doi.org/10.3151/jact.8.201

Tang, Y., Wang, Y., Niu, Y., Chen, H., & Pingming, H. (2018). Monitoring of daily temperature effect on deck deformation of concrete arch bridge. MATEC Web of Conferences, 206, 01011. https://doi.org/10.1051/matecconf/201820601011

Tao, C., Dong, L., & Suo, M. (2025). Study on the impact of combined action of temperature differential and Freeze–THAW cycle on the durability of Cement concrete. Buildings, 15(9), 1566. https://doi.org/10.3390/buildings15091566

Tao, C., Dong, L., Fan, W., & Yu, T. (2023). Experimental Study on the Compressive Strength and Fatigue Life of Cement Concrete under Temperature Differential Cycling. Materials, 16(23), 7487. https://doi.org/10.3390/ma16237487

Van Der Merwe, J. E. (2022). Evaluation of concrete tensile strength as a function of temperature. Construction and Building Materials, 329, 127179. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127179

Wang, G., He, M., Zhou, C., Xie, W., Liu, X., Chen, J., Liu, H., Lei, B., & Zhang, M. (2022). Temperature and Temperature Stress Analysis in Mass Concrete under Cold Environments of Strong Wind and Large Diurnal Temperature Range. Geofluids, 2022, 1–16. https://doi.org/10.1155/2022/3064754

Wong, H., Zobel, M., Buenfeld, N., & Zimmerman, R. (2009). Influence of the interfacial transition zone and microcracking on the diffusivity, permeability and sorptivity of cement-based materials after drying. Magazine of Concrete Research, 61(8), 571–589. https://doi.org/10.1680/macr.2008.61.8.571

Yang, X., Jiang, Y., & Liu, G. (2021). Study of microstructure of concrete pavement exposed to alternate load and temperature effect. Iranian Journal of Science and Technology Transactions of Civil Engineering, 46(1), 473–482. https://doi.org/10.1007/s40996-021-00648-1

Zeng, H., Li, W., Jin, M., Zhang, J., Ma, Y., Lu, C., & Liu, J. (2022). Deterioration of performances and structures of cement pastes under the action of thermal cycling fatigue. International Journal of Fatigue, 165, 107181. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107181

Zou, Z., Li, C., Wu, X., Meng, Z., & Cheng, C. (2024). The effect of day-to-day temperature variability on agricultural productivity. Environmental Research Letters, 19(12), 124046. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad8ede

Zunino, F., Castro, J., & Lopez, M. (2015). Thermo-mechanical assessment of concrete microcracking damage due to early-age temperature rise. Construction and Building Materials, 81, 140–153. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.126

التنزيلات

منشور

22-05-2026

كيفية الاقتباس

اسماعيل ه. ., شحادي ر. ., & مشاقة م. ا. . (2026). تأثير التغير اليومي في درجات الحرارة على الخصائص الميكانيكية للخرسانة: التأثيرات الدورية وآليات التلف — مراجعة علمية. مجلة ساحل المعرفة للعلوم الإنسانية والتطبيقية, 2, E–587 . استرجع في من https://ojs.academy.edu.ly/index.php/JKCHAS/article/view/661

إصدار

القسم

Articles