《Engineering Fracture Mechanics》：Evolution of damage in concrete with built-in heat exchange pipelines under thermal cycling and multi-source information fusion-based assessment
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•展示了季节循环下换热管道混凝土的多尺度损伤演化。•融合力学-渗透-声发射数据，构建管道混凝土的熵权损伤因子。•季节循环导致换热管道混凝土拉剪裂缝转变。•建立换热管道混凝土的Weibull模型和三级损伤阈值。引言在全球能源转型加速的背景下，浅层地热能的发展与利用已成为缓解能源
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展示了季节循环下换热管道混凝土的多尺度损伤演化。
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融合力学-渗透-声发射数据，构建管道混凝土的熵权损伤因子。
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季节循环导致换热管道混凝土拉剪裂缝转变。
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建立换热管道混凝土的Weibull模型和三级损伤阈值。
引言
在全球能源转型加速的背景下，浅层地热能的发展与利用已成为缓解能源危机和应对气候变化的核心途径[1]、[2]。地源热泵系统作为浅层地热能利用的成熟技术，具有显著的节能和环保效益[3]、[4]。预制能源桩作为城市地下空间与地热能一体化开发的新形式，通过在混凝土衬砌内预制并嵌入换热管道，实现了高效的施工效率和较大的换热面积[5]、[6]。预制能源桩结构的示意图如图1所示。在此类结构中，混凝土衬砌既是承受地层压力的承载实体，又是包裹换热管道的传热介质。其长期性能直接决定了能源桩的使用安全性和换热效率[7]、[8]。因此，开展内嵌换热管道混凝土结构的损伤评估与寿命预测研究，对于保障地下能源结构的使用安全性和耐久性具有重要意义。
与普通混凝土衬砌不同，内嵌换热管道的混凝土衬砌在温度变化时，由于管道周围的几何不连续性和材料热性能的差异，容易产生热应力集中。图2展示了内嵌换热管道段在浇筑前后的状态。从热力学角度而言，常用换热管道材料（如耐热聚乙烯PE-RT）的线膨胀系数约为混凝土的10倍以上[9]。在季节温度波动下，管道与周围混凝土之间存在显著变形差异，导致局部应力循环，使得管道相邻区域容易成为优先损伤起始区[10]、[11]。从几何角度来看，贯穿衬砌的换热管道破坏了基体的连续性，导致管道周围区域产生初始应力集中。在围岩压力与温度载荷的耦合作用下，热致裂缝倾向于在管道相邻区域优先扩展[12]、[13]。因此，管道周围区域是控制此类结构全周期性能演化的关键部位，揭示该区域在温度循环下的损伤累积机制是评估能源桩衬砌长期服役性能的关键科学问题。
关于温度荷载对混凝土材料性能的影响，国内外研究者已开展了系统性的研究工作[14]、[15]、[16]、[17]。在纯混凝土材料层面，大量实验和理论研究表明，由于水泥浆体与集料之间热膨胀系数的差异，温度变化可诱发界面热应力。当热应力超过界面粘结强度时，微观裂缝将在界面过渡区起始形成[18]、[19]、[20]。随着温度循环次数的增加，微裂缝逐渐扩展、分叉并相互连通，形成跨越集料和水泥基体的裂缝网络，最终导致抗压强度的衰减[21]、[22]。一些研究者采用CT扫描、扫描电镜和压汞法等微观表征方法，定量揭示了温度循环过程中孔隙率和微裂缝密度的演化规律，并建立了基于损伤力学的热损伤变量与宏观力学指标之间的相关模型[23]、[24]、[25]。同时，声发射技术由于对微裂缝起始和扩展具有高灵敏度，已被广泛应用于混凝土损伤监测领域。研究者基于RA-AF参数建立了拉裂缝和剪裂缝的分类判据，实现了损伤模式的实时识别和裂缝类型的定量区分[26]、[27]、[28]。上述研究成果为理解混凝土材料的热损伤行为奠定了坚实的理论和实验基础。
然而，前述大多数研究集中于无埋入构件的素混凝土或钢筋混凝土材料，其热损伤理论基于材料组分的非均匀热性能。对于内嵌换热管道的能源地下结构构件，埋管的存在使得局部几何形状和热力学环境更加复杂。然而，目前针对该特定界面的研究仍然十分有限。少数工程监测数据显示，在地源热泵系统运行数年后，能源桩管道周围混凝土出现纵向裂缝，且渗透系数比远离管道区域高出一个数量级以上。管道相邻区域已成为地下水渗漏和钢筋腐蚀的潜在通道[29]、[30]。在实验研究方面，一些研究者通过进行试验和界面粘结强度测试，初步探索了温度循环对管-混凝土界面粘结性能的劣化效应，发现界面粘结强度随循环次数呈指数衰减趋势[10]、[31]。然而，大多数关于埋管系统的研究仅限于单一力学指标的测定，无法同时获取结构损伤演化过程中渗透性能和微裂缝扩展信息的变化，缺乏将局部损伤与构件整体宏观性能退化相关联的跨尺度分析。基于上述分析，现有研究在内嵌换热管道混凝土系统方面仍存在显著不足。大多数研究未考虑换热管道的存在，评估指标大多局限于单一宏观力学参数，缺乏多源信息的集成分析，无法反映多尺度损伤演化过程。此外，全周期损伤演化模型和定量阈值标准的缺失导致研究结果与工程应用之间存在显著差距。
为弥补上述空白，本研究系统研究了温度循环下内嵌换热管道混凝土试件的全周期损伤演化。基于相似理论设计了加速试验系统，并在不同循环次数下同步开展三轴压缩试验、渗透试验和声发射试验。随后，利用熵权法将多源数据整合为综合损伤因子，并在此基础上建立Weibull损伤演化模型。最后，提出了工程损伤阈值，以支持能源桩衬砌的长期性能评估和维护决策。本研究的工作范围限于当前实验方案中考虑的材料类型、试件构型和加载条件；因此，在未经进一步验证的情况下，研究结果不应直接推广到其他材料或加载条件。
各章节摘要
材料
本研究选取的主要材料包括用于制备试件的C50高强度混凝土和用于模拟换热管道系统的耐热聚乙烯（PE-RT）管。
本试验所用的C50高强度混凝土由卓能达国际建材公司按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）配制并提供。该混凝土具有优异的力学性能和耐久性，
力学性能劣化规律研究
本文研究的试件为包含贯穿圆柱形水管的混凝土试件，具有材料固有的界面过渡区和埋入管道引起的几何不连续性。高低温度循环诱发的热应力容易导致管道周围区域发生损伤累积，从而降低试件的力学性能。本章系统地分析了
结论
本研究聚焦于包含内嵌换热管道的混凝土试件。为探究高低温度循环下结构损伤的演化，基于相似理论开发了加速试验系统。研究系统开展了高低温度循环下的三轴压缩试验、渗透性测量和全时域声发射监测。通过利用熵权法整合多源信息，
局限性与未来工作
本研究的成果是在0–40°C温度循环条件下对包含PE-RT管的C50混凝土获得的。因此，所计算的指标权重、三级阈值和Weibull参数具有条件特异性，不应在没有独立标定的情况下推广到其他配合比、管道材料、界面条件、含水状态或温度历史。
所提出的框架在方法论上是可迁移的，但其数值输出取决于材料和加载
CRediT作者贡献声明
王鑫：写作-审稿与编辑，写作-初稿撰写，验证，软件，资源，方法论，数据整理。周杰：写作-审稿与编辑，资源，资金获取。邹全乐：监督，资源，方法论。史震明：验证，资源，资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42477182）和国家重点研发计划（编号：2023YFC3008300及2023YFC3008305）的支持。
王鑫|周杰|邹全乐|史震明
