考虑界面过渡区（ITZ）腐蚀梯度的硫酸盐侵蚀混凝土长期蠕变多尺度均匀化预测框架

《Materials》：A Corrosion-Layered Multi-Scale Homogenization Framework for Creep Prediction of Sulfate-Attacked Concrete

　　

硫酸盐侵蚀（sulfate attack）会逐步劣化混凝土刚度并加速长期蠕变（long-term creep）。现有蠕变模型主要针对完好混凝土，且未能表征界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）内腐蚀产物的空间梯度。研究人员开发了一个多尺度均匀化框架（multi-scale homogenization framework），将相演化（phase evolution）、分层ITZ腐蚀（layered ITZ corrosion）和黏弹性蠕变（viscoelastic creep）耦合起来。ITZ被离散为子层，腐蚀度（corrosion degree）自骨料表面呈指数衰减，衰减系数由实测硫酸盐浓度剖面（sulfate concentration profiles）标定。相体积分数（phase volume fractions）随腐蚀度更新，有效弹性模量（effective elastic modulus）通过Mori–Tanaka均匀化（Mori–Tanaka homogenization）获得。随后采用Burgers模型（Burgers model）预测蠕变柔量（creep compliance），其参数取决于均匀化模量（homogenized modulus）和腐蚀产物含量（corrosion product content）。该框架再现了不同硫酸盐浓度下弹性模量的非单调演化（non-monotonic evolution），平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error, MAPE）低于10%。当腐蚀度为0.3时，预测的相对蠕变增量（relative creep increment）在365天时约为11%。温度（temperature）、加载龄期（loading age）和干湿循环（wet–dry cycles）的影响也被量化。敏感性分析（sensitivity analyses）识别出长期蠕变模量（long-term creep modulus）和腐蚀产物系数（corrosion product coefficient）为主导参数。该模型为评估硫酸盐侵蚀混凝土的长期变形（long-term deformation）提供了一种具有物理基础的工具（physically grounded tool）。

论文解读如下。硫酸盐侵蚀（sulfate attack，硫酸盐离子与水泥水化物反应生成膨胀产物）是海洋环境及富硫酸盐土壤中混凝土结构的主要耐久性问题。侵蚀产物初期填充孔隙并提高刚度，随后结晶压力导致微开裂和强度损失，使弹性模量呈先增后降的非单调演化；同时，蠕变变形影响长期适用性和应力重分布。现有蠕变模型多针对完好混凝土，经验模型和流变模型未考虑化学降解，微观力学模型也多未纳入腐蚀空间梯度；已有腐蚀模型常将界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ，骨料与浆体之间薄弱层）视为均匀腐蚀，忽略硫酸盐浓度随骨料表面深度降低所导致的腐蚀度与力学退化梯度。因此，需要建立联系硫酸盐侵蚀微结构变化与宏观弹性及蠕变性能的预测框架。研究人员提出腐蚀分层多尺度均匀化框架，将相演化、ITZ分层腐蚀与黏弹性蠕变耦合，用Mori–Tanaka均匀化（Mori–Tanaka homogenization，一种复合材料有效性质升尺度方法）获得有效弹性模量，并以Burgers模型（Burgers model，由Maxwell单元与Kelvin单元串联的黏弹性模型）预测蠕变柔量（creep compliance，单位应力下的时间相关应变）。该框架可再现弹性模量非单调演化并预测蠕变柔量随腐蚀度增加，为硫酸盐环境中混凝土长期变形评估提供物理基础工具。关键技术方法（≤250字）：研究人员采用四层级多尺度表示（水化产物—水泥浆—砂浆—混凝土），将ITZ分为等厚子层并以指数函数描述腐蚀度（corrosion degree, CD）由骨料表面衰减；用Jia et al. 的15% Na₂SO₄、最长400 d水泥浆定量X射线衍射（QXRD）/热重（TG）数据建立CD与AFt、石膏、CH、LD/HD C-S-H及孔隙体积分数关系；用Cheng et al. 的混凝土切片硫酸盐浓度剖面标定衰减系数；用Mori–Tanaka均匀化逐级计算有效弹性模量；将均匀化模量输入Burgers模型，并以Gong et al. 的1%、5%、10% Na₂SO₄、最长540 d持续浸没持载蠕变数据标定蠕变参数；采用Piasta and Schneider的1% Na₂SO₄、w/c=0.75、f_c,28=22.2 MPa持压数据作独立验证，并进行敏感性分析。研究结果如下。4.1 弹性模量验证（Validation of Elastic Modulus）：通过Cheng et al. 的水灰比0.47混凝土在不同硫酸盐浓度下动态弹性模量数据，模型再现初始增加后下降、峰值约37 GPa且峰值时间约120 d，10%溶液峰值后下降更快、300 d约24 GPa，3%溶液同龄仍高于31 GPa；原文指出10%溶液后龄偏差约3 GPa可能归因于线性相演化关系及未显式考虑微裂纹加速传输。通过Piasta and Schneider独立验证，σ/R=0.50时0–540 d的MAPE为12.77%、RMSE为0.0052 1/GPa、R²=0.44；σ/R=0.35时模型高估柔量、MAPE为42.35%，原文归因于受限膨胀导致变形饱和而Burgers模型不能捕捉。4.2 硫酸盐侵蚀混凝土蠕变柔量（Creep Compliance of Sulfate-Attacked Concrete）：通过Gong et al. 的蠕变应变按7.76 MPa（15%应力水平）换算柔量，模型预测柔量随时间单调增加并随硫酸盐浓度上移，与实验定性一致；1%和5%溶液相对误差一般低于10%，10%溶液误差由90 d约5%增至540 d约15%；15%与30%应力水平实验柔量差一般低于5%，支持线性黏弹性假设；蠕变系数随浓度增加，1%溶液540 d约1.5，5%约2.0，10%超过2.5；CD=0与CD=0.3在365 d柔量差约11%。4.3 腐蚀度对蠕变影响（Influence of Corrosion Degree on Creep）：通过计算不同CD的相对蠕变增量，365 d时CD=0.1约5%、CD=0.2约8%、CD=0.3约11%，增量随CD非线性增长；通过硫酸盐CD=0.2与酸雨CD=0.3情景比较，原文明确酸雨CD=0.3为情景假设而非实测值；CD=0.2、0.25、0.3敏感性分析显示相对蠕变增量随CD平滑变化。4.4 敏感性分析（Sensitivity Analysis）在固定CD=0.2下进行。4.4.1 蠕变模型参数影响（Effect of Creep Model Parameters）：通过改变τ_K、t_char和腐蚀产物系数，较小τ_K提高早期柔量但后龄收敛，较大t_char降低长期柔量，较大腐蚀产物系数提高长期柔量。4.4.2 损伤参数影响（Effect of Damage Parameters）：通过改变α和η，较大α提高给定CD下腐蚀产物体积分数并提高后龄柔量，较大η造成更严重微开裂和更低弹性模量、提高柔量，η影响比α更显著。4.4.3 几何参数影响（Effect of Geometric Parameters）：通过改变ITZ厚度0.02、0.03、0.04 mm，较厚ITZ提高柔量；蠕变泊松比对单轴柔量影响小；Mori–Tanaka增量步数超过10后弹性模量变化小于0.2%。4.4.4 温度影响（Effect of Temperature）：通过Arrhenius温度依赖计算E_c(T)，20、30、45 °C下E_c分别为41.6、32.8、23.6 GPa，365 d时45 °C柔量比20 °C约高20%。4.4.5 环境条件影响（Effect of Environmental Conditions）：通过幂律老化模型E(t)，7、28、90、180 d分别为0.82E₂₈、E₂₈、1.12E₂₈、1.20E₂₈，7 d加载混凝土365 d柔量比28 d加载约高15%；通过将干湿循环有效CD取为连续浸没的1.5倍，365 d干湿循环柔量比长期浸没约高8%。4.4.6 材料组成影响（Effect of Material Composition）：通过改变水灰比、初始孔隙率、砂体积分数和材料尺度，水灰比0.57在365 d柔量比0.37约高12%，初始孔隙率越高柔量越高，砂体积分数越高柔量越低，水泥浆柔量高于砂浆、砂浆高于混凝土，365 d水泥浆柔量约为混凝土两倍。4.5 局限性（Limitations）：原文指出CD、相组成与蠕变之间为现象学联系且缺少同一试件的直接QXRD/TG-蠕变验证；模型仅标定和验证于CD=0–0.5；骨料假定化学惰性且线弹性；Burgers模型未在蠕变公式中纳入老化，仅通过E(t)引入；损伤参数未考虑应力水平与暴露历史耦合；腐蚀梯度用单一β指数衰减表示，且β·h_ITZ=0.009?1表明所考虑条件下ITZ内腐蚀度基本均匀；低应力下受限膨胀饱和不能被线性Burgers模型再现；酸雨CD=0.3为情景假设。讨论部分总结：原文讨论表明，模型能够把局部腐蚀状态通过相体积分数、ITZ分层和Mori–Tanaka均匀化传递至Burgers蠕变参数，从而解释弹性模量非单调演化和蠕变柔量随硫酸盐浓度及CD增加；长期蠕变模量和腐蚀产物系数是主导参数，加载龄期、温度、干湿循环、ITZ厚度、水灰比、初始孔隙率、砂体积分数和材料尺度均影响长期柔量；同时原文明确模型适用性受现象学相—蠕变联系、CD范围、惰性骨料假定、线性Burgers模型及应力相关受限膨胀等限制。研究结论部分翻译：本研究开发了一个用于预测硫酸盐侵蚀混凝土蠕变柔量的腐蚀分层多尺度均匀化框架。该框架耦合相演化、ITZ腐蚀分层和黏弹性蠕变。相演化模型基于实验测量建立，将主要相的体积分数表示为腐蚀度的函数。ITZ被离散为腐蚀度指数衰减的子层，从而捕捉损伤的空间梯度。Mori–Tanaka均匀化方案与Burgers蠕变模型集成，其中瞬时弹性模量由多尺度弹性计算获得，蠕变参数由腐蚀产物含量修正。该框架经文献数据验证，能够再现弹性模量的非单调演化和蠕变柔量随硫酸盐浓度的增加。(1) Mori–Tanaka均匀化方案成功再现硫酸盐侵蚀下弹性模量的非单调演化，预测在实验散差内。相演化模型捕捉孔隙填充和微开裂的竞争过程。(2) 与均匀化弹性模量耦合的Burgers蠕变模型为硫酸盐侵蚀混凝土的蠕变柔量提供了合理预测。柔量随腐蚀度增加，反映刚度降低和长期变形增加的综合效应。(3) 敏感性分析表明，长期蠕变模量和腐蚀产物系数是控制蠕变柔量最有影响的参数。加载龄期和干湿循环也通过影响有效腐蚀度影响蠕变。(4) 分层ITZ表示使模型能够捕捉腐蚀的空间梯度，这是均匀腐蚀模型无法实现的。该特征对于有限腐蚀影响厚度结构的长期变形准确预测至关重要。所提框架为硫酸盐环境中混凝土结构的服役寿命评估提供了基础。未来工作应聚焦于获得单个腐蚀产物更准确的黏弹性参数，并扩展模型以考虑老化与多轴应力状态。