综述：高海拔寒冷地区混凝土多因素耦合劣化机制及改进技术的研究综述

《Journal of Building Engineering》：Review of multi-factor coupling deterioration mechanism and improvement technology of concrete in high-altitude cold regions

混凝土在低气压-冻融循环-盐侵蚀-紫外线辐射四重耦合环境下的性能退化机制及防护技术研究。研究揭示多因素耦合呈现显著非线性协同效应和时序累积特征，损伤演化遵循微观缺陷到宏观失效的分阶段规律。综合评估材料改性、微结构调控和表面防护等技术的协同增效机制，提出构建多层级防护体系的必要性。

　　

刘晓瑞|黄凌志|司正|彭瑞哲|张宇

西安工业大学，中国西安，710048

摘要：

本文系统回顾了在低气压、冻融循环、盐侵蚀和紫外线辐射等多因素耦合环境下，混凝土性能退化机制及耐久性提升技术的研究进展。研究结果表明，多因素耦合效应具有显著的非线性协同作用和时间累积特性，其损伤演变遵循从微观劣化到宏观破坏的阶段性规律。在劣化机制方面，低气压、冻融循环、盐侵蚀和紫外线辐射通过物理、化学和机械途径相互作用，共同加速了混凝土微观结构的劣化过程。在提升技术方面，指出了材料改性、微观结构调控和表面保护等多种技术的应用潜力与局限性，并明确指出，通过技术协同构建多层次保护体系是应对复杂耦合损伤的有效策略。

引言

受全球气候变化和基础设施向极端环境持续扩展的双重驱动，高海拔寒冷地区正成为现代工程建设的战略要地[1]、[2]、[3]、[4]。混凝土作为核心建筑材料，在各种工程结构中发挥着重要作用，其耐久性直接关系到各类项目的运营安全[5]、[6]、[7]。然而，高海拔寒冷地区环境极其恶劣：大气压力低于海平面的60%[8]、[9]，年冻融循环次数是平原地区的3-5倍[10]，昼夜温差超过30°C，紫外线辐射强度比海平面高40%[11]、[12]，且该地区富含硫酸盐和氯化物等腐蚀介质，形成了“低气压-冻融-盐侵蚀-紫外线辐射”的四重耦合场。因此，这种恶劣的环境条件对混凝土结构的耐久性构成了前所未有的挑战[13]、[14]、[15]。

出于这一原因，过去十年间，研究人员致力于揭示高海拔和严寒环境下混凝土性能退化的机制[16]、[17]、[18]、[19]。研究表明，低气压环境不仅加速了孔隙水的蒸发，还影响了水化过程和早期强度的发展[20]、[21]，显著降低了孔隙水的沸点，并在冻融过程中加剧了混凝土内部冰晶压力的形成[22]。Rafiee等人[23]利用同步辐射微CT发现，-30°C的低温会导致C-S-H凝胶的比表面积减少38%，弹性模量下降24%。Wang等人[24]、[25]指出，在高频冻融循环和低气压的共同作用下，毛细孔和微裂纹中水的冻结与膨胀应力加倍[2]、[26]，导致界面过渡区（ITZ）显著弱化[27]。Moelich等人[28]发现，强烈的紫外线辐射会加速水泥浆体表面水化产物的光化学分解[29]，促进有机成分老化，降低表面密度，并为腐蚀介质的侵入提供便利通道[30]、[31]。Li等人[32]、[33]观察到硫酸盐、氯化物等物质与水泥水化产物反应生成膨胀产物，导致混凝土内部结构膨胀、劣化甚至坍塌[34]。Du等人[35]通过Weibull分布模型证明，在冻融和盐侵蚀耦合作用下，混凝土抗压强度损失的形状参数β从2.1降至1.3，损伤分散度增加了85%。Zhang等人的研究[36]表明，冻融损伤和低气压促成的离子迁移共同加剧了氯化物的侵蚀深度，引发了膨胀产物的形成、钢筋腐蚀以及水泥基材料的化学分解[37]、[38]。这些发现表明，多因素耦合的非线性效应远远超出了传统理论的预测范围。

为应对上述挑战，研究人员相继开发了多种混凝土耐久性提升技术。Nagrockien?等人[39]发现，添加粉煤灰、矿渣和硅灰等活性矿物掺合料可以优化孔隙结构，而引入纳米材料和纤维可以提高基体的密度和抗裂性[40]。Yang等人[41]证明，使用高质量引气剂构建稳定的气泡体系可以缓冲冻融循环产生的冻胀压力，并优化混凝土的微观结构。在防护方面，Pan等人[42]发现，表面浸渍防护技术和早期维护加固方法可以有效阻挡环境侵蚀[43]。这些技术在不同程度上增强了混凝土抵抗复杂环境侵蚀的能力。

然而，现有大多数提升技术的研究仅关注单一或部分耦合的环境因素，对于低气压、冻融、盐侵蚀和紫外线辐射这种长期动态耦合环境的适用性和协同防护效果仍缺乏系统评估。尽管在单一或部分耦合因素的作用机制研究上取得了显著进展，但对多因素耦合下混凝土的损伤演变规律、多尺度劣化路径和破坏模式仍缺乏整体认识，这严重限制了适用于极端环境的高性能混凝土材料设计及工程结构耐久性提升策略的发展。

本文旨在系统回顾高海拔寒冷地区多因素耦合环境下混凝土长期性能退化的研究进展，深入分析多因素耦合效应的物理、化学和机械劣化机制，全面评估现有提升混凝土耐久性技术的有效性和适用条件，为极端气候条件下混凝土结构的长期安全服役提供理论基础和技术支持，确保重大工程基础设施在整个生命周期内的服务安全与可持续性。

章节摘录

高海拔寒冷地区的环境特征

如图1所示，高海拔寒冷地区具有与平原地区截然不同的极端环境特征，这些环境参数对混凝土结构的耐久性构成了多重挑战。结合表1可知，该地区主要受低气压、频繁的冻融循环、强烈的紫外线辐射和高盐度侵蚀等不利因素的影响。

单一因素作用下的混凝土劣化机制

混凝土在单一因素影响下的劣化本质上是环境、物理和化学效应与混凝土微观结构和组分之间相互作用的过程，其损伤演变具有明确的初始路径和阶段特征。以下部分从微观作用机制出发，结合宏观性质的变化，系统阐述了混凝土的劣化机制。

多因素耦合下的混凝土劣化机制

高海拔寒冷环境中混凝土的耐久性退化是低气压冻融、盐腐蚀和紫外线辐射等多因素非线性耦合的复杂过程。尽管第三章详细说明了单一因素下的劣化路径，但多因素之间的协同作用和时间效应主导的损伤演变规律远非单一因素效应的简单叠加。

长期性能提升措施

基于对高海拔寒冷地区低气压、冻融、盐侵蚀和紫外线多因素耦合劣化机制的深入分析，显然单一防护措施不足以应对复杂的非线性协同损伤。混凝土的长期性能提升必须采取综合防护措施。本章系统回顾了关键提升技术。

结论

本文系统回顾了高海拔寒冷地区“低气压-冻融-盐侵蚀-紫外线辐射”多因素耦合作用下混凝土的长期性能退化机制及提升技术，主要得出以下结论：

(1)

高海拔寒冷地区具有独特的四重耦合特征，由低气压、高频冻融循环、强烈盐侵蚀等动态耦合场组成

CRediT作者贡献声明

刘晓瑞：撰写——初稿、方法论、数据整理。张宇：指导、监督。司正：验证、监督。彭瑞哲：可视化、概念化。黄凌志：撰写——审稿与编辑、验证

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51879217）和陕西省技术创新引领计划（项目编号：2024QY-SZX-27）的财政支持。