跨江和跨海桥墩、桥梁梁体及水泥路面等暴露在自然环境中的混凝土结构,在日照辐射作用下表面温度很高,当这些暴露面遭受到疾风、寒流等空气冷却（以下简称“空冷”）式降温作用时,或者受到浪溅、雨水、冰雹等水冷却（以下简称“水冷”）式降温作用,表面温度又会急剧下降。当此类作用反复作用于结构混凝土时,会对混凝土材料产生冷热循环的环境热疲劳作用。空冷与水冷环境热疲劳作用由于降温机制不同,其影响机理并不相同,水冷环境热疲劳需要考虑水分迁移对混凝土性能的影响。高性能混凝土的拉压比低、脆性大,环境热疲劳作用势必对其性能造成显著影响。因此,本文通过环境热疲劳模拟试验,研究空冷和水冷两种方式环境热疲劳作用下高性能混凝土（HPC40、HPC60）力学性能和渗透性能的变化规律;采用纳米压痕、孔结构等微观试验,研究微结构的演化规律,结合理论分析,揭示基体和界面过渡区微结构变化的微观机理;在此基础上,考虑内部温度的演化特征,阐明高性能混凝土在环境热疲劳作用下的性能演化机理。实验室模拟微环境试验表明,相对湿度和温差作用对混凝土内部温度特征变化影响显著。随微环境相对湿度的提高,内部温度的响应时间缩短,表现为温度的初期上升速率增加,而后期上升速率下降。根据服役环境科学设计空冷和水冷环境热疲劳试验制度,研究了两种冷却方式环境热疲劳作用下高性能混凝土内温度的变化特征,高性能混凝土内部温度特征在两种冷却方式作用下的变化规律类似,区别在于空冷环境热疲劳作用下温度特征的变化更明显;随两种冷却方式环境热疲劳作用次数增加,混凝土内同一深度达到峰值和谷值温度所需时间均相对延长,且延迟时间随深度的增加明显增大;深度0～25mm范围内混凝土热力学性能的劣化最严重。高强度高性能混凝土（HPC60）内部温度特征的变化更明显。空冷环境热疲劳作用下高性能混凝土力学性能和毛细吸水性能逐步劣化,尤其是高强度高性能混凝土的劣化更严重。随环境热疲劳作用次数的增加,抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量呈下降的变化规律,其中劈裂抗拉强度最敏感;初期毛细吸水系数呈线性增大,而二次毛细吸水系数下降,且初期毛细吸水系数的变化更明显。超声波法和红外热像法均可反映空冷环境热疲劳作用下高性能混凝土损伤的变化规律,前者较适用于损伤程度较轻的混凝土,而后者更适用于损伤严重的混凝土;以超声波声速值、表面平均温度升高最大值作损伤变量,建立了空冷环境热疲劳作用下力学性能衰减模型,所建模型可反映力学性能的变化规律。基于非饱和流体理论,引入Bolzmann变量,建立了高性能混凝土在空冷环境热疲劳作用下的水分分布预测模型,预测结果与力学性能的变化规律吻合良好。空冷环境热疲劳作用下,混凝土内外温差以及组成相间热学特性差异引起的温度应力,导致微裂纹不断产生、发展及蔓延,造成宏微观性能劣化。采用纳米压痕技术测定了空冷环境热疲劳作用后基体和界面过渡区的微观力学性能,二者微观力学性能均呈下降趋势,特别是界面过渡区的降幅更明显,说明界面过渡区劣化是宏观性能退化的主要原因。利用BSE图像分析技术对孔隙率和灰度值进行定量分析,结果表明界面过渡区宽度逐渐增大,尤其是高强度高性能混凝土的增幅更大。分别基于复合材料细观力学理论和四重球模型,建立了空冷环境热疲劳作用下弹性模量预测模型,四重球弹性模量预测模型在混凝土性能评估中更安全。水冷环境热疲劳作用下高性能混凝土强度和渗透性能的变化均可分为提升和劣化两个阶段,且无论性能的提升还是劣化,高强度高性能混凝土的变化更明显。基体微结构测定结果表明,基体微结构先增强后损伤;在水冷环境热疲劳过程中发生了再水化反应,有絮状、片状以及钙矾石类侵蚀产物等生成,再水化作用对基体在一定程度上起到修复作用,填充了过渡孔,使凝胶孔体积显著增加,增强了基体微结构。界面过渡区微结构测定结果表明,界面过渡区一直在劣化,且由于再水化反应和粉煤灰的火山灰反应相互影响,改变了基体内Ca（OH）₂含量,导致界面过渡区在性能劣化阶段的损伤更严重。在水冷环境热疲劳作用下,再水化对基体的增强作用是性能提升的主要原因,温度应力对界面过渡区的损伤作用是性能劣化的主要原因。