高水压环境下混凝土力学性能的劣化机理

《Materials》：Degradation Mechanism of Mechanical Properties of Concrete in a High Hydraulic Pressure Environment Jianmin Du, Xianmin Zhang, Yi Xia and Yongsheng Ji

　　

研究人员开展了高水压环境下混凝土力学性能与损伤机理的实验研究。研究人员对不同水压（1.2 MPa、2.4 MPa、3.6 MPa）和不同持续时间（10 d、20 d、30 d）作用下的混凝土试件进行了渗透性试验，随后获取并分析了其抗压强度、微裂缝以及超声波波速。结果表明，在持续高水压作用下，混凝土内部微裂缝增多、密度降低、有害孔隙扩展，导致混凝土力学性能发生劣化。混凝土在水压头近端处的损伤比远端更为严重。孔隙水压力在混凝土内部随深度逐渐衰减，当混凝土外层受损后向内扩展。该研究结论将为海洋混凝土工程的安全评价提供科学依据。

随着深地开发战略的推进，地下混凝土工程面临着高水压、高应力、高腐蚀等严峻挑战。混凝土结构在高水压环境下的力学性能损伤规律直接决定着地下混凝土结构的整体安全性与耐久性。一方面，高水压会导致混凝土内部孔隙结构劣化，破坏其抗渗性并导致力学性能退化；另一方面，高水压会加速有害离子向混凝土内部渗透，促进钢筋锈蚀。混凝土材料性能的损伤规律受配合比、水压大小、渗透持续时间等多种因素影响。氯离子和硫酸根离子在混凝土中的渗透过程是水压、渗透与应力耦合作用的复杂过程，因此系统研究深地高水压环境下混凝土的损伤演化机理具有重要的理论意义与工程价值。目前，虽然已有研究在实验室模拟和微观表征方面取得了进展，但大多数研究局限于单一环境因素的讨论，且现有力学模型基于不同假设建立，可能与工程实际存在差异。为此，Du Jianmin、Zhang Xianmin、Xia Yi和Ji Yongsheng等研究人员开展了此项实验研究，旨在揭示水压与渗透持续时间耦合作用对混凝土的影响机制，明确其力学性能损伤机理，为地下混凝土工程的安全评估与耐久性研究提供理论基础。该论文发表于《Materials》期刊。

研究人员采用了以下主要关键技术方法：采用HP4.0-4型渗透仪进行渗透试验，通过水罐供给自来水施加1.2 MPa、2.4 MPa和3.6 MPa三种水压梯度；利用YAW-3000电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验，配合JHBU-20T传感器和DH3817数据采集系统记录应力-应变曲线；采用ZBL-U520非金属超声检测仪测量不同位置混凝土的超声波波速；运用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）观察微裂缝发展，结合压汞法（Mercury Intrusion Porosimetry, MIP）对孔隙结构演化规律进行定量表征。

研究结果部分，研究人员从以下几个方面展开分析。

**3.1 单轴压缩破坏模式**

所有经受水压作用与未经受水压作用的试件破坏模式相似，均出现贯穿破坏面的宏观裂缝，加载面发生压碎和剥落现象。随着渗透持续时间不同，混凝土试件的压缩破坏模式有所变化。

**3.2 高水压作用下混凝土的应力-应变关系**

研究人员获得了不同水压条件下混凝土芯样的应力-应变本构关系曲线。结果表明，水压越高，应力-应变曲线的峰值应力越低，极限应变越大，初始弹性阶段的斜率即弹性模量越低。具体加载变形过程可分为三个阶段：初始加载阶段（σ ≤ 0.4 σ_max），应力随应变线性增加，混凝土处于弹性压缩状态；塑性变形阶段（0.4 σ_max < σ ≤ 0.8~0.9 σ_max），应力-应变曲线斜率逐渐减小，裂缝主要在骨料-浆体界面发展；破坏阶段（σ > 0.8~0.9 σ_max），曲线斜率趋近于零，出现下降段，混凝土芯样变形迅速增加，表面出现贯穿裂缝，最终压力值骤降而破坏。

从抗压强度、峰值应变和弹性模量三个关键参数分析力学性能劣化情况：抗压强度随水压增大和持续时间延长而劣化，渗透30 d后，经受1.2 MPa、2.4 MPa、3.6 MPa水压作用的混凝土抗压强度分别从29.3 MPa降至15.6 MPa、11.9 MPa和10.7 MPa，降幅分别为46.8%、59.4%和63.5%；峰值应变呈增大趋势；弹性模量则呈下降趋势，且水压越高、持续时间越长，趋势越明显。

**3.3 混凝土孔隙结构演化机理**

为揭示高水压下混凝土孔隙结构的演化机理，研究人员通过扫描电子显微镜观察不同渗透条件下试件微裂缝的发展，并结合压汞法进行定量表征。对比P0-D0和P2.4-D30试件发现：未受水压作用的P0-D0仅含少量微裂缝，而经2.4 MPa水压持续渗透30 d的P2.4-D3 0出现明显裂缝，表明高水压环境加速裂缝的萌生与扩展，导致混凝土抗渗性能和力学性能显著劣化。

压汞结果表明，经受2.4 MPa高水压30 d后，混凝土孔隙率从16.7%增至21.5%，总孔体积从0.0767 mL/g增至0.0875 mL/g。依据标准与工程经验，混凝土孔隙可分为无害孔（直径<20 nm）、少害孔（20~50 nm）、有害孔（50~200 nm）和是多害孔（>200 nm）四类。P2.4-D30试件中大于20 nm的孔体积显著增大，尤其有害孔和多害孔体积增加，而无害孔体积减少；有害孔和多害孔体积占比达41.2%，远高于无压试件的24.2%。这证明高水压使无害小孔扩展并连通成更大孔隙，转变为多害孔，从而破坏混凝土内部结构，降低其力学性能和抗渗性。

**4. 距水压头距离的影响**

文献表明，混凝土损伤区由表及内发展，水压倾向于在表层混凝土开裂后进一步深入混凝土内部，孔隙水压力在混凝土中并非恒定，而是逐渐增长，使损伤逐渐由表及里扩展。

**4.1 距水压头距离对混凝土抗压强度的影响**

基于压缩试验测得的芯样各段单轴抗压强度显示，混凝土抗压强度随水压和持续时间增加而逐渐劣化，同时也受距水压头距离的影响。底部段（近水压头）损伤最严重，顶部段（远水压头）损伤相对较轻。以P3.6-D30为例，底部段强度从32.3 MPa降至18.7 MPa，降幅44.9%；顶部段从32.5 MPa降至29.2 MPa，降幅仅10.2%。

**4.2 不同距离处混凝土段超声波波速**

超声波在不同距水压头距离混凝土段中的传播测试表明：超声波波速与渗透持续时间呈负相关，这是由长期高水压作用导致的内部孔隙结构恶化和材料密实度降低所致。相同持续时间下，较高水压作用试件的超声波波速衰减更显著：P1.2-D30的超声波波速降至4.45 km/s，而P3.6-D30降至4.13 km/s。同一渗透条件下，以P3.6-D30为例，顶部段超声速度从4.68 km/s降至4.24 km/s，底部段从4.65 km/s降至4.13 km/s，表明近水压头处混凝土损伤比远水压头处更严重。

在讨论部分，研究人员系统总结了高水压环境下混凝土力学性能劣化机理。研究结论如下：普通混凝土的单轴抗压强度和弹性模量随水压增大和渗透持续时间延长而衰减，峰值应变增大，且该趋势随压力增强和暴露时间延长而加剧；高水压逐渐向内移动，进一步破坏混凝土孔隙结构，导致抗压强度下降和极限应变增大，经受1.2 MPa、2.4 MPa、3.6 MPa水压作用的混凝土抗压强度分别降低46.8%、59.4%、63.5%，弹性模量随持续时间延长呈线性下降；混凝土内部水压并非恒定，而是逐渐向内部移动，类似于硫酸根离子渗透过程，当混凝土试件经受高水压一定持续时间后，水压随深度衰减速率几乎呈线性；混凝土在水压头近端处的损伤比远端更明显，抗压强度数据证明了这一点，且渗透持续时间延长会放大混凝土在水压头两端的回弹值差异。