不同含水量硬化水泥浆在循环荷载作用下的水分迁移及裂缝发展特性

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Water migration and crack development characteristics of hardened cement pastes with different water contents under cyclic loading

　　

摘要

通过原位¹H NMR和轴向压缩控制系统以及X-CT，研究了HCP在循环荷载下的水分迁移过程和裂纹发展。结果表明，HCP的损伤演变和水分迁移在循环荷载过程中呈现三个阶段。宏观上，轴向应变分为三个阶段：快速增加（第一阶段）、稳定增加（第二阶段）和急剧增加（第三阶段）。这些阶段分别对应于微观裂纹的萌发、稳定扩展和不稳定聚合，而水分迁移则遵循快速、稳定和不稳定三种模式。水分含量是影响这两个过程演变速率的关键因素。当水分含量从11% RH平衡状态增加到100% RH时，裂纹扩展速率加快，疲劳寿命显著缩短。在完全饱和的样本中，层间水的比例在第一阶段增加了6.69%。这一变化表明C-S-H凝胶在循环压缩下发生了纳米级的重构和弱化。这种重构从根本上削弱了凝胶相的凝聚力，从而可能促进了微观裂纹的萌发和早期扩展。迁移的水分通过润滑和应力集中效应进一步促进了裂纹的生长。水分迁移的三阶段过程为每个损伤阶段提供了驱动力，并影响了最终的破坏模式：高水分含量时表现为剪切破坏，低水分含量时表现为断裂破坏。本研究揭示了水-力学耦合的微观机制，为基于水泥的结构的耐久性设计和寿命预测提供了理论基础。

引言

水泥基材料孔隙中水分的分布和迁移对其力学性能和耐久性有显著影响^[1]。根据孔径大小^{[2], [3]，水泥基材料中的水分可分为C-S-H层间水（<2nm）、凝胶水（2–8nm）、小毛细孔水（水化产物之间[4]，8-100nm[5]）和大毛细孔水（0.1-10μm）[6], [7]。共存于纳米级C-S-H凝胶中的C-S-H层间水和凝胶水直接影响C-S-H的微观结构和基本性能[8]。大毛细孔（LCP）同时存在于纳米级和微观尺度，由未水化产物或未水化水泥颗粒之间的空隙形成[9]。这种多态分布使水分不仅作为水化反应的必要介质，促进C-S-H凝胶和其他产物的形成，还是影响微观结构完整性和宏观力学行为的关键因素[10]。在实际使用环境中，混凝土结构通常会受到环境湿度波动和循环荷载（例如交通负荷和风荷载）的耦合影响。然而，水分含量和循环荷载对硬化水泥浆（HCP）内部水分重新分布和损伤演变的协同效应尚未得到充分理解[11]。}

对于静态力学行为，水分含量的增加会降低水泥基材料的抗压强度^{[12], [13], [14]。首先，毛细孔中的自由水削弱了毛细张力对骨架结构的约束[15]。此外，界面过渡区的水分富集会导致水泥浆与骨料之间的粘结性能下降，因为范德华力和表面能显著降低[16]。更重要的是，静态荷载的应用破坏了材料内部水的原始热力学平衡状态，从而导致水分重新分布，从而在力学响应和水分迁移之间形成耦合效应。基于1H NMR的原位监测结果显示，轴向压力驱动了水分的方向性迁移，具体表现为凝胶水迁移到层间孔隙中，以及小毛细孔水补充到凝胶孔隙中[17]。这一迁移过程通过两种机制加剧了材料损伤：一方面，产生的孔隙水压力抵消了裂纹表面的摩擦阻力，加速了裂纹扩展过程[18]；另一方面，C-S-H凝胶中的层间水和凝胶水作为影响微观结构相互作用的关键介质，通过分布变化直接影响了水化产物之间的粘结强度。}

在动态循环荷载下，水分进一步复杂化了疲劳行为。循环应力将水分推向裂纹尖端，产生动态水压并增加尖端的局部应力集中^{[19]。在硫酸盐等侵蚀性环境中，水分作为离子（例如硫酸根离子）的载体，导致膨胀产物（例如钙矾石）的局部沉淀，加速了裂纹扩展[20]。尽管现有研究已经证实水分含量与疲劳寿命之间存在显著相关性（例如，饱和材料由于孔隙水压力更容易发生裂纹扩展，而干燥材料则表现出更高的脆性[21]）。}

循环荷载引起的损伤具有明显的阶段性特征。宏观上，损伤演变表现为轴向应变的增加^{[22]。根据轴向应变的变化，循环荷载过程分为三个阶段：快速增加、稳定增加和急剧增加[23], [24]。疲劳寿命（N），即材料在给定应力水平下能够承受的循环次数，是表征这三个阶段的核心参数[25], [26]。Li等人的研究[27]进一步明确了疲劳寿命区间：第一阶段（循环次数<0.1N）对应于快速应变增加；第二阶段（0.1N-0.9N）表现为相对线性应变增长；第三阶段（>0.9N）应变急剧加速，导致破坏。因此，损伤在初始阶段和最终阶段积累最快，而三个阶段的整体应变积累决定了宏观破坏。微观上，循环荷载下的微观裂纹扩展是混凝土结构劣化的根本原因[28]。与宏观应变演变相对应，微观裂纹的生长也经历了三个阶段[29]：快速发展阶段、稳定扩展阶段和不稳定破坏阶段。微观裂纹从初始缺陷处迅速萌发并扩展，导致宏观变形的快速增加，然后稳定发展为主要裂纹，最终加速形成宏观裂纹。值得注意的是，水分作为一种“动态介质”，通过改变微粘附力、裂纹尖端应力和损伤驱动力，显著调节了每个阶段的持续时间和裂纹扩展速率。}

上述三阶段损伤框架为理解水分如何调节疲劳行为提供了基本背景，但水分迁移与这些阶段之间的机制联系尚未确立。为了解决这些研究空白，本研究结合了原位¹H核磁共振（NMR）光谱和X射线计算机断层扫描（X-CT），同时研究了循环荷载下的水分迁移和微观裂纹发展。这项工作建立了对控制水泥基材料疲劳破坏的hydro-mechanical耦合效应的机制理解，为混凝土结构的服务寿命预测和耐久性设计提供了理论基础。

部分摘要

原材料和样品制备

使用白色波特兰水泥（P.W 42.5）和去离子水制备了水灰比（w/c）为0.5的水泥浆样品。水泥的化学成分如表1所示。混合后，将水泥浆倒入圆柱形钢模（25mm×50mm）中，并在标准养护（20°C，>95%RH）24小时后脱模。为了消除后续实验过程中水泥水化的影响，样品在90°C的热水中养护了2天，然后

不同相对湿度（RH）水平下HCP的轴向抗压强度

测量了在不同相对湿度（RH）水平下平衡的HCP的轴向抗压强度（f_c），以阐明疲劳行为的静态力学基础。f_c随水分含量的增加而明显下降，这一点在我们之前的研究中得到了定量确认^{[17]f_c下降了大约31%，在低RH范围（11%-59% RH）内下降幅度较小，而在高RH范围（>59% RH）内下降幅度较大}

循环荷载过程中硬化水泥浆的损伤退化机制

本研究结果表明，HCP在循环荷载下的损伤演变和水分迁移都呈现三个阶段特征。宏观上，轴向应变表现为快速增加（第一阶段）、稳定增加（第二阶段）和急剧增加（第三阶段）。微观上，裂纹演变对应于萌发、稳定扩展和不稳定聚合。同时，内部水分迁移遵循快速、稳定和不稳定三种模式。

结论

本文利用配备轴向压缩控制系统和X射线断层扫描（X-CT）的氢核磁共振（¹H NMR）仪器，研究了循环荷载下硬化水泥浆（HCP）的水分迁移过程和损伤演变。主要结论如下：

• (1)
  水分含量对疲劳寿命有显著影响。在相同应力水平下，当水分含量从11% RH平衡状态增加到100% RH时，疲劳寿命

CRediT作者贡献声明

Jing Li： 方法学、概念化。Caijun Shi： 方法学、概念化。Zhipeng Huang： 手稿撰写、调查、数据管理。Zhangli Hu： 方法学、概念化。Zheng Chen： 方法学、概念化。Chaofan Yi： 方法学、概念化。Jianhui Liu： 手稿撰写、审稿与编辑、方法学、概念化。Luojuan Wu： 手稿撰写、调查、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

广西自然科学基金项目（项目编号：2024GXNSFBA010263）提供的财政支持。我们还要感谢广西科技重大项目：平陆运河船闸及岸坡保护结构全生命周期关键技术的研究与应用（项目编号：AA23023034）的支持。

Jianhui Liu|Luojuan Wu|Zhipeng Huang|Zhangli Hu|Zheng Chen|Chaofan Yi|Jing Li|Caijun Shi