《Journal of Marine Science and Engineering》：Study on the Performance Degradation and Three-Dimensional Pore Structure Evolution of Synchronous Grouting Material for Subsea Shield Tunnels Under Long-Term Natural Seawater Corrosion
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摘要：海底盾构隧道中的同步注浆层在长期服役期间持续暴露于海水环境。海水离子的持续迁移与扩散会引起孔隙结构劣化与力学性能退化，从而削弱其对管片衬砌的支撑和荷载传递功能，最终危及隧道长期结构安全。本研究以实际海底盾构隧道工程中获取的同步注浆砂浆为对象，开展淡水与天
摘要：海底盾构隧道中的同步注浆层在长期服役期间持续暴露于海水环境。海水离子的持续迁移与扩散会引起孔隙结构劣化与力学性能退化，从而削弱其对管片衬砌的支撑和荷载传递功能，最终危及隧道长期结构安全。本研究以实际海底盾构隧道工程中获取的同步注浆砂浆为对象，开展淡水与天然海水浸泡试验。将抗压强度试验与X射线计算机断层扫描（X-ray CT）相结合，研究长期天然海水暴露下力学性能与三维孔隙结构的演化规律。在不同浸泡龄期对同一组试样进行重复扫描，测定总孔隙率、连通孔隙率及孔隙连通性。进而建立了浸泡时间与连通孔隙率及抗压强度之间的定量关系。结果表明，天然海水在不同阶段对抗压强度具有显著影响，由初期增强逐渐转变为长期浸泡过程中的渐进劣化。在420 d时，抗压强度较28 d时测得的峰值约降低23%。在长期浸泡过程中，总孔隙率逐渐增加，而连通孔隙率与孔隙连通性显著增大。这一差异表明，内部结构演化主要由既有孔隙与微裂纹的扩展和相互贯通所控制，而非总体孔隙体积的大幅增加。随着浸泡时间增长，孔隙结构逐步从分散、弱连通状态演变为更为连续的孔隙与裂缝网络，并伴随局部缺陷的增大和连通。连通孔隙率随浸泡时间的演化可用基于菲克扩散特征时间尺度的平方根函数较好地描述，而抗压强度的变化则符合指数关系。孔隙与裂缝连通性的增强为海水离子的向内传输提供了更连续的通道，并逐渐破坏内部承载骨架，从而促进宏观力学性能的退化。上述研究成果可为同步注浆材料的耐久性设计及海底盾构隧道的长期维护提供试验支撑。
论文解读：
**一、研究背景与问题提出**
随着地下空间开发与跨海交通基础设施的快速发展，盾构法在城轨交通、跨江隧道及海底隧道中得到广泛应用。盾构掘进时，盾构机外径大于管片衬砌外径，管片脱出盾尾后在管片外侧与围岩之间形成环形空隙，需通过同步注浆系统及时向该空隙注入浆液并形成注浆层。该注浆层可填充盾尾空隙、稳定管片位置、约束地层变形并传递围岩荷载，对控制地表沉降和保证隧道结构稳定至关重要。因此，同步注浆材料的流变性能、硬化特性与长期稳定性一直为盾构工程领域所关注。
已有研究虽已从配合比设计、新拌性能、硬化浆体力学特性及内部结构特征等方面进行了系列探索，且针对普通混凝土和水泥砂浆在海水环境下的长期性能已开展了大量研究，然而，海底盾构隧道同步注浆层在持续海水暴露下的长期稳定性问题却较少受到关注。同步注浆砂浆与普通结构混凝土在材料组成和初始结构上存在显著差异，其通常具有较高的水胶比和粉煤灰掺量，但水泥用量和早期强度较低。作为管片衬砌与围岩之间的重要荷载传递介质，同步注浆层在长期海水腐蚀作用下可能发生性能退化，削弱其对管片的支撑与荷载传递能力。因此，开展长期天然海水暴露下同步注浆砂浆力学性能与孔隙结构演化的研究，对于评估海底盾构隧道注浆层的长期性能具有重要意义。
**二、研究内容概述**
该论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。研究人员以实际海底盾构隧道工程所采用的同步注浆砂浆为对象开展试验研究，材料组分为普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）、粉煤灰、细砂、膨润土和水，水胶比为0.9，水泥与粉煤灰比为0.3，胶凝材料与砂比为0.7。立方体试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，成型后在标准养护室养护24 h，随后分别浸入天然海水与淡水中进行长期浸泡。天然海水取自该海底盾构隧道附近海域，主要离子包括Cl?、Na?、SO?2?、Mg2?、Ca2?和K?，平均pH值为8.12，浸泡温度为20 ± 2 ℃，海水每7 d更换一次，海水体积与试件总体积比约为10∶1。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：（1）单轴抗压强度试验，参照JGJ/T 70-2009标准，用于测定不同浸泡龄期试件的力学性能演化；（2）X射线计算机断层扫描（X-ray CT），对同一组试件在28、56、120、180、300和420 d进行重复无损扫描，重建三维孔隙–裂缝结构并定量提取总孔隙率、连通孔隙率和孔隙连通性参数；（3）扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）分析，用于表征微观形貌和矿物组成随浸泡时间的变化。
**四、研究结果与讨论**
**4.1 抗压强度演化规律**
研究结果表明，0–28 d期间淡水组和海水组试件抗压强度均显著增长，且海水组各龄期强度均高于淡水组，于28 d达峰值4.02 MPa，反映天然海水对早期强度具有明显增强作用，这可能归因于海水离子对胶凝材料水化反应的加速以及孔隙填充作用。28 d后两组强度发展出现明显分化：淡水组持续增长至120 d的4.35 MPa，而海水组则逐步下降至120 d的3.62 MPa，此时海水组较淡水组约低16.78%。在长期浸泡条件下，海水组强度自峰值后持续降低，至420 d降至3.09 MPa，较28 d峰值约降低23%，且衰减速率由快渐慢，呈现从快速劣化向长期缓慢退化转变的特征。
**4.2 三维孔隙结构演化特征**
CT重复扫描结果表明，从28 d至420 d，平均总孔隙率由16.40%逐步升至18.47%，相对增幅约12.62%；平均连通孔隙率由9.14%增至15.50%，相对增幅达69.58%；孔隙连通性由0.56增至0.84，相对增幅约50.7%。三维重建图像显示，随着浸泡时间增长，部分原本孤立或局部聚集的孔隙逐渐连通合并形成较大孔隙簇，300 d和420 d后孔隙结构的分支与空间扩展愈发明显，逐步形成连续贯通的孔隙–裂缝网络。这表明长期海水暴露下，孔隙结构演化主要受既有孔隙和微裂纹的扩展与相互贯通控制，而非总体孔体积的大幅增加。阈值敏感性分析显示，分割阈值±5%变化引起的各孔隙参数相对偏差小于2%，时间演化趋势保持不变，验证了CT定量结果的稳定性。
**4.3 微观结构与矿物学表征**
XRD分析显示，淡水组在28和120 d的主要物相包括石英、氢氧化钙（CH）、钙矾石（AFt）、方解石及水化硅酸钙（C-S-H）的衍射特征，未检测到明显海水相关反应产物。海水组则逐步出现Friedel盐、石膏和水镁石等海水相关反应产物，分别对应Cl?、SO?2?和Mg2?参与的化学反应，且随浸泡时间延长矿物组成变化加剧。SEM观察显示，淡水组试样始终保持相对致密连续的基体；而海水组试样随着时间延长由较致密状态逐渐转变为疏松多孔、非均质性增强的微观结构，至420 d时出现明显孔隙区域扩大和局部结构不连续。上述微观表征结果为海水离子长期参与注浆砂浆劣化过程提供了直接证据。
**4.4 定量关系与机理分析**
基于菲克扩散特征时间尺度，研究人员建立了连通孔隙率随浸泡时间的平方根关系模型，利用28至300 d数据进行参数标定（R2=0.98，RMSE=0.165个百分点），420 d独立验证的预测值为15.83%，与实测值15.50%的相对误差约2.14%。同时建立了抗压强度随浸泡时间的指数衰减模型（R2=0.96，RMSE=0.0447 MPa），420 d独立验证预测值为3.114 MPa，与实测值3.09 MPa的相对误差约0.77%。Pearson相关分析表明，抗压强度与总孔隙率、连通孔隙率和孔隙连通性的相关系数分别为-0.9887、-0.9812和-0.9813，均呈强负相关。机理分析表明，海水离子（Mg2?、SO?2?、Cl?、Na?）通过既有孔隙和毛细通道持续侵入，引起水化产物溶解脱钙、膨胀性产物局部累积及微裂纹萌生扩展，进而导致孔隙连通性增强和离子传输通道更加连续，形成"离子侵入–基体劣化–裂纹贯通–进一步侵入"的自增强循环，最终削弱内部承载骨架、减小有效承载面积，导致宏观力学性能持续退化。
**五、研究结论**
（1）天然海水对强度发展的影响具有阶段性：28 d前主要表现为促进水化和孔隙填充，抗压强度达峰值4.02 MPa；28 d后劣化效应占主导，强度持续下降至420 d的3.09 MPa，衰减速率先快后慢。（2）长期天然海水暴露仅使总孔隙率出现中等程度增长（16.40%→18.47%），但连通孔隙率（9.14%→15.50%）和孔隙连通性（0.56→0.84）显著增大，三维重建表明孔隙演化以既有孔隙和微裂纹的渐进扩展及相互贯通为主。（3）连通孔隙率随浸泡时间服从平方根关系，符合菲克扩散特征时间尺度；抗压强度随浸泡时间呈指数衰减。（4）海水离子通过连通孔隙–裂缝通道向内迁移，持续强化传输通路并破坏内部承载骨架，减小有效承载面积、增大局部应力集中，最终导致抗压强度长期持续下降。
