极端服役环境下胶凝材料断裂行为的跨尺度损伤机理与断裂能预测模型

《Buildings》：Key Microscopic Control Mechanisms for Fracture Properties of Cementitious Materials Under Normal and Extreme Environments

　　

摘要

极端服役环境导致胶凝材料内部微观结构发生不可逆劣化，进而引起宏观断裂性能的严重退化。本研究系统考察了胶凝材料在基准（N）、持续干燥（D）、极端高温（H，400 °C）及快速冻融循环（F25–F100）条件下的断裂力学行为。通过压汞法（MIP）、纳米划痕技术及背散射电子（BSE）图像分割处理，定量揭示了多孔连续基体、骨料-浆体界面过渡区（ITZ）和微裂纹网络的演化规律与协同损伤机制。结果表明，宏观断裂能G_f表现出显著的环境敏感性和非线性衰减特征；经干燥、F100冻融循环及400 °C高温处理后，G_f分别降低了11.1%、67.2%和83.0%。微观结构分析证实，环境劣化使总孔隙率P_t增加，临界孔隙直径d_cr粗化并向右偏移；纳米划痕测试表明，界面过渡区始终是裂纹扩展中能耗最低的通道，其局部断裂韧性在高温及严重冻融条件下发生灾难性下降（低至0.18 MPa ? m^1/2）；微裂纹面积比C急剧增大（高达4.65%），其分布形态由局部弥散演化为三维网络桥连。宏观断裂机制因此由三维基体剪切与骨料咬合耗能退化为沿低阻力界面的二维剥离与滑移。基于微观-介观物理机制，建立了考虑基体孔隙率损失（P_t）、微裂纹网络分割（C）和界面过渡区剪切抗裂屏障（ ）的断裂能跨尺度协同预测模型。该模型准确消除了极端条件下单一孔隙率指标的预测钝化问题（R² = 0.984，RMSE = 4.12 N/m），为极端环境下胶凝工程结构服役寿命评估与抗裂增韧设计提供了理论支撑。