探讨酸沉积作用下低热水泥混凝土的损伤本构建模

《Materials & Design》：Probing the damage constitutive modeling of low-heat cement concrete subjected to acid deposition

　　

酸沉积诱导低热水泥混凝土（low-heat cement concrete, LHCC）发生三阶段劣化。劈裂抗拉强度（splitting tensile strength）是最可靠的敏感损伤指标。脱钙作用改变了水化硅酸钙（calcium silicate hydrate, C-S-H）结构和孔隙特性。Weibull–Lognormal模型能够描述低热水泥混凝土的损伤演化。

酸沉积是亚洲地区尤其是中国和印度面临的重要环境问题。与欧洲和北美的单一硫酸型酸沉积不同，亚洲酸沉积呈现出硫酸-硝酸复合特征，且氨气（NH₃）排放形成了复杂的多介质耦合酸性系统。酸沉积高发区与水能资源富集区高度地理重叠，对大型水电站大坝工程材料构成严重威胁。低热水泥混凝土（low-heat cement concrete, LHCC）作为高拱坝的主要材料，长期暴露于硫酸-硝酸复合酸沉积环境中。与普通硅酸盐水泥（ordinary Portland cement, OPC）相比，LHCC具有高硅酸二钙（C₂S）和低铝酸三钙（C₃A）含量，这改变了酸性侵蚀下钙溶出和二次矿物形成的动力学。然而，在“酸沉积-霾叠加”和“溶蚀-干湿循环”等复杂条件下，其力学退化模式、耐久性演化和微观劣化机制尚不明确。传统研究主要集中于OPC在单一硫酸型酸沉积下的劣化，难以适用于亚洲复合酸沉积的复杂情况。因此，系统阐明LHCC在酸沉积环境中的性能演化对于揭示水工材料劣化机理和保障大型水电工程长期安全至关重要。该研究发表于《Materials》。研究人员利用白鹤滩水电站现场筑坝材料制备湿筛二级配LHCC试件，通过实验室模拟酸沉积试验，研究力学性能演化，并基于统计损伤力学建立了Weibull–Lognormal复合损伤本构模型，旨在揭示环境暴露前后刚度退化阈值和应力跌落特征点等关键参数的演化规律。

研究人员采用以下关键技术方法：以白鹤滩水电站现场材料（低热水泥、I级粉煤灰、石灰石人工砂和四分级石灰石粗骨料）制备湿筛二级配LHCC试件；在环境模拟舱内开展pH=4、SO₄^2-浓度为0.2 mol/L的(NH₄)₂SO₄-HNO₃复合酸沉积加速试验，并施加-15℃至45℃的24小时温度循环。测试方法包括：冲击弹性波法测定动态弹性模量，吸水率测试表征孔隙劣化，2000吨电液伺服试验机获取单轴压缩全应力-应变曲线，以及X射线衍射（XRD）、压汞法（MIP）、²⁹Si核磁共振（NMR）、扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）等多尺度微观表征。

研究结果如下：

宏观性能演变：通过表面观察、动态弹性模量、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度测试及灰色关联分析，研究人员发现酸沉积下LHCC表面先出现石膏晶体，随后发生剥落露骨。动态弹性模量呈“增强-缓慢下降-急剧下降”三阶段趋势，25天时峰值达45.52 GPa；抗压强度先升后降，125天后为初值的71.8%；劈裂抗拉强度单调下降至约60%，表明其对界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）的潜在损伤最为敏感；吸水率呈“稳定-快速增加-波动”趋势。灰色关联分析显示，质量损失率不是主要关联指标，劣化遵循“由外向内”的模式。

物相组成与微观结构演变：XRD定量分析表明，180天内LHCC持续水化，C₂S含量显著降低，氢氧化钙（CH）含量低于OPC；酸沉积作用下CH特征峰减弱，石膏和钙矾石生成。MIP显示长期侵蚀后大于200 nm的大孔比例增至40%。²⁹Si NMR证实水化硅酸钙（C-S-H）凝胶向Q³–Q⁴交联硅胶转化，脱钙作用削弱了基质结合性能。SEM-EDS可见针状侵蚀产物和微裂纹扩展。

单轴压缩本构行为与能量演化：全应力-应变曲线显示，随侵蚀延长，上升段斜率降低，峰值点向右下方移动，曲线变宽变平。总应变能、弹性应变能和耗散应变能均先增后降；125天时耗散能降至初值的64.6%，弹性应变能转化率上升，反映酸致脆化。

统计损伤本构模型：基于Lemaitre应变等价假设，研究人员采用Weibull分布拟合上升段、Lognormal分布拟合下降段，建立了完整损伤本构模型。模型参数m从2.977持续降至1.545，定量反映酸蚀引起的介观非均质性增加。模型预测与实验数据吻合，能有效描述轻侵蚀试件的阶段性破坏和重侵蚀试件的渐近退化。

在讨论部分，研究人员指出C-S-H脱钙转化为硅胶导致脆性和非均质性增加，模型参数m的变化与微观劣化机制相关联。所建模型可提供数值输入用于结构健康监测，帮助预测大坝剩余承载力，但需更多独立数据集进行验证。研究结论如下：（1）LHCC在硫酸铵复合酸沉积下呈现阶段性力学响应，劈裂抗拉强度是最敏感的早期损伤指标；（2）酸沉积引发“物相转变-结构损伤-基质松动”的渐进微观劣化过程，C-S-H转化为Q³–Q⁴硅胶，大孔比例增加；（3）Weibull–Lognormal复合损伤本构模型能有效表征不同侵蚀阶段的力学行为，参数m反映非均质性演化；（4）LHCC劣化本质是微观损伤累积和能量转化失衡，耗散能降低，弹性应变能转化率上升。