多尺度视角下经湿热处理的中国古代砖砌体疲劳损伤演化特性研究：一种结合能量测试的方法

《Journal of Building Engineering》：Fatigue-damage evolution characteristics of hygrothermally treated ancient Chinese brick-masonry from a multiscale perspective: A combined energy-testing method

　　钱夏|姚宗张|王妍|徐老|李一清|赵进
西安理工大学土木工程学院，中国西安710048

**摘要**
古代砖砌结构在湿热环境的作用下会表现出损坏和劣化，最终导致完全失效和破坏。为了研究中国古代砖砌结构在湿热作用后受到疲劳载荷时的损坏特性，选取了古代砖砌试样作为研究对象，并首先对其进行加速湿热老化处理。随后结合核磁共振（NMR）和扫描电子显微镜（SEM）进行了单轴循环加载-卸载试验，以考察疲劳载荷对试样变形行为和能量演化特性的影响。结果表明，在湿热条件下，古代砖砌结构的应力-应变响应仍表现出“稀疏-密集-再稀疏”的明显三阶段发展模式。古代砖砌结构的孔隙演化本质上是从孔隙压实到孔隙连通和渗透的动态转变，反映了疲劳损伤的逐步累积。此外，灰色关联熵分析从统计上证实了孔隙演化与能量耗散之间的内在一致性。研究结果表明，能量演化行为与NMR和SEM揭示的微观损伤机制以及VIC得到的宏观变形特性高度一致，准确捕捉了砖砌结构在疲劳损伤过程中的能量转换内在关系。这些发现为更深入理解古代砖砌结构的疲劳劣化机制提供了一个基于能量的解释框架。

**引言**
砖砌结构是古代遗迹的重要组成部分，拥有数百年的历史。由于其良好的物理性能和高稳定性，砖结构能够在较长时间内得以保存。然而，随着城市化的加剧和极端天气事件的频繁发生，古代砖砌建筑逐渐退化。现有结构遭受不同程度的损坏，并且对其周围环境变化非常敏感。这大大降低了其耐久性，交通引起的微振动循环载荷容易引起疲劳损伤。在湿热环境中，高温和高湿度会进一步加剧砖砌结构的物理化学劣化[1]、[2]、[3]。在持续的水分侵入下，砖块或砂浆中可能容易发生脱粘和表面剥落[4]。此外，可溶性盐在湿热条件下的溶解和反复结晶会进一步加剧砖块的内部损伤，导致裂纹扩展甚至局部破碎[5]，从而严重影响其耐久性。这些研究不仅有助于识别古代砖砌结构在湿热条件下的典型劣化模式并阐明其形成机制，还为损伤诊断、湿气缓解措施的设计以及后续修复和加固策略的制定提供了有用的参考。因此，研究古代中国砖砌结构在湿热作用后受到循环加载和卸载时的损坏演化特性对于历史砖砌结构的劣化评估和长期保护具有重要意义。

国内外学者已经研究了砖砌结构及相关材料的疲劳损伤。例如，He[6]对砂岩进行了循环加载实验，确定了各种加载条件（应力幅度、加载频率和加载速率）对其疲劳特性的影响。Koltsida[7]将研究对象扩展到砖砌结构，并在受控应力水平下进行循环加载试验，从而揭示了不同应力状态下砖砌结构应变曲线的发展规律和阶段依赖特性。在砖砌结构裂纹演化特性方面，Bhat[8]使用数字图像相关（DIC）技术研究了砖砌结构，捕捉了裂纹扩展过程并分析了其演化规律。Howlader[9]进一步将DIC与传统的裂纹监测技术（即线性变量差动变压器LVDT）相结合，验证了DIC在检测砖砌结构裂纹演化特性方面的准确性。我们的研究小组[10]随后将DIC应用于中国的古代砖砌结构，分析了古代砖砌结构中疲劳诱导裂纹的演化，填补了古代砖砌结构宏观损伤研究的重要空白。然而，上述大多数研究仅限于分析砖砌结构在疲劳载荷下的宏观损伤特性，而对砖砌结构在疲劳过程中的内部微观结构演化及其与损伤累积的内在关系的理解仍然不足。

实际上，砖砌结构宏观力学性能的退化与其内部微观结构的演化密切相关。砖砌结构的疲劳破坏实质上是内部缺陷不断发生、扩展、聚合和累积的过程。现有研究表明，砖砌结构的疲劳行为与应力水平密切相关[11]；然而，相应的分析大多停留在宏观响应层面，尚未深入揭示内部结构演化特性。最近，我们的研究小组[12]在湿热条件下对古代砖砌结构进行了剪切疲劳试验，并基于随机森林算法建立了疲劳寿命预测模型，为古代砖砌结构的耐久性评估提供了新的视角。尽管该研究中引入了微观结构表征方法，但微观结构演化与疲劳损伤过程之间的明确对应关系尚未建立，古代砖砌结构疲劳损伤的内在演化机制仍有待进一步阐明。

然而，即使引入了微观结构表征方法，如果仅使用传统机械参数来表征损伤过程，也难以完全描述古代砖砌结构在循环载荷下的阶段性及复杂性损伤演化。现有研究表明，传统机械理论在描述砖砌材料在循环载荷下的复杂损伤演化行为方面存在局限性，难以充分揭示其潜在机制[13]、[14]、[15]。一些研究聚焦于砖砌材料损伤的本质，提出循环载荷过程中的能量演化可以更好地反映砖砌材料的破坏规律[16]、[17]、[18]。实际上，材料的损伤甚至最终破坏总是伴随着一系列动态过程，包括能量积累、耗散和释放。具体而言，对于砖砌材料而言，从变形到破坏的整个过程本质上是一个能量耗散和释放的过程，其中能量首先在局部耗散，然后引发局部损伤，最终导致整体破坏。能量耗散理论已越来越多地被引入到砖砌结构及其组成材料的研究中[19]、[20]、[21]。通过实验和理论研究，人们在对砖砌材料变形和破坏的能源机制理解上取得了显著进展。在基于能量的方法框架下，杨[22]以中国古代砖砌结构为研究对象，基于轴向压缩试验建立了能量耗散模型，揭示了能量耗散特性与关键机械参数（如弹性模量和峰值载荷）之间的内在关系。这些发现为评估历史砖砌结构的性能提供了基于能量的理论基础。在此基础上，Htet[23]将基于能量的框架扩展到遗产建筑物的抗震性能评估中，以能量耗散能力作为关键评估指标，并验证了能量相关指标在遗产建筑结构评估中的适用性。同时，其他工程材料中基于能量的评估方法的研究也为砖砌材料的损伤演化提供了宝贵见解。张[24]使用基于能量的方法系统研究了混凝土在循环载荷下的疲劳损伤演化。从能量演化的角度来看，该研究阐明了刚度退化与损伤累积之间的耦合关系，从而为基于能量标准评估结构承载能力提供了理论基础。谭[25]进一步将这一视角扩展到多尺度能量演化，系统研究了不同围压和应力水平下砂岩的能量演化特性。结果阐明了能量演化与微观孔隙演化之间的内在关系，并从多尺度角度揭示了能量耗散机制如何影响材料的承载能力。总之，这些研究展示了基于能量的评估方法在揭示工程材料（如砖砌材料、混凝土和岩石）损伤演化机制方面的重要作用，同时也证实了能量相关指标在遗产建筑评估中的适用性，并拓宽了多尺度能量演化的研究视角。然而，尽管取得了这些进展，但对于历史上建筑物常见服役环境下的古代砖砌结构在湿热条件下受到循环载荷时的疲劳行为和多尺度能量演化仍缺乏系统研究。

为填补文献中的部分空白，我对湿热老化后的古代砖砌结构进行了循环疲劳加载-卸载试验，以研究不同上限应力比对其疲劳行为的影响。结合VIC-3D、NMR和SEM技术，对疲劳加载过程中的宏观裂纹演化、微观结构特征和孔结构变化进行了表征。此外，还从能量角度分析了整个损伤过程中的能量耗散。在本研究中，湿热处理不仅被视为预处理步骤，更是用于建立循环载荷前古代砖砌结构初始劣化状态的手段。因此，后续的疲劳响应、孔隙演化和能量耗散行为应被视为湿热预损伤的古代砖砌结构的表现。这些结果可以为历史砖砌结构的耐久性评估提供有用的参考。

**实验材料**
中国古代砖砌结构的主要成分是实心黏土砖（明代和清代烧制）和糯米砂浆。本研究中使用的古代砖块是从陕西省西安拆除的传统住宅遗迹中收集的，而非来自现有的受保护的历史建筑。经过统一筛选，选择了来源一致、尺寸偏差小且无明显宏观损伤的砖块作为试样。

**湿热处理后古代砖砌试样的明显劣化特征**
经过21天的湿热处理后，古代砖砌试样的典型可见劣化特征如图7所示。根据观察到的损伤形态和分布，劣化可分为两种类型：横向损伤和纵向损伤。前者主要表现为沿水平薄弱区域的扩展和局部渗透，而后者则主要表现为沿垂直方向的分离和砂浆流失。

**能量计算原理**
古代砖砌结构的变形和破坏实际上是外部力作用下能量驱动的状态不稳定性现象。试验机对古代砖砌结构试样施加作用力，使其在载荷作用下发生变形。在加载过程中，试样经历原始内部微裂纹压缩和封闭、弹性压缩、裂纹起始、裂纹稳定扩展、裂纹快速发展和不稳定性破坏等阶段。

**孔结构与能量耗散之间的相关性分析**
为了阐明孔结构演化与能量耗散之间的内在关系，并确定不同孔径参数对总耗散能量的影响程度，采用灰色关联熵分析定量评估了这些变量之间的相关性。这种方法是传统灰色关联分析的改进形式，结合了信息熵理论，能够更客观地表征变化的一致性。

**结论与讨论**
本研究通过加速湿热老化和循环加载-卸载试验研究了中国古代砖砌结构的宏观力学行为和细观微观损伤演化。随后分析了疲劳加载下的能量演化和能量分配行为，并进一步利用灰色关联熵分析从数学统计角度验证了孔结构演化与能量耗散之间的内在一致性。

**作者贡献声明**
姚宗张：撰写——原始草案、方法论；
王妍：监督、资源提供；
徐老：验证、数据管理；
李一清：形式分析；
赵进：项目管理；
钱夏：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构建。

**利益声明**
作者声明他们没有可能影响本文工作的竞争性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51708450）的支持。