卸载速率和含水量对差异循环荷载下砂浆耦合影响

为什么水分和应力对日常混凝土重要

从大坝和堤防到桥梁和隧道，我们许多关键基础设施由不断潮湿、干燥并承受变化荷载拉压的混凝土或砂浆构成。当水库水位涨落或车流与波浪呈周期性作用时，结构内部的混凝土会反复被压缩和释放。本研究探讨一个简单但重要的问题：变化的含水量与不对称的加载—卸载循环如何共同影响砂浆（将混凝土结合在一起的水泥与砂混合物）的强度与长期耐久性？

现实环境下的混凝土受拉受压

大多数实验室试验每次以相同速率对混凝土施加和撤去荷载，这样便于分析但不反映真实情况。例如在实际大坝中，水位常常缓慢上升而迅速下降，因此材料的加载和卸载速率不同。作者将此称为“多级差异循环荷载”：每个循环的最大荷载逐步增加，且加载速率与卸载速率不一致。同时，混凝土可能是干燥、部分湿润或完全饱和的。为模拟这些条件，团队浇筑了砂浆试样，精确控制其三种含水率（质量分数0.00%、6.99%和13.98%），然后在试验机中对其进行重复循环加载，同时记录其变形与破坏过程。

通过可控湿度设计系统化试验

为了设置现实的湿润状态，研究者先将部分样品完全干燥，然后浸水并测量其质量随时间的增加。这使他们识别出约6.99%的半饱和状态和13.98%的完全饱和状态。单次压缩试验进一步确认较湿的样品比干样更弱且更易变形。在此基线下，他们共进行了45次循环试验，将三种湿度水平与五种不同的卸载速度（从极慢到极快）组合，同时保持加载速率不变。在每次试验中，最大荷载以固定增量逐循环增加直至试件破坏，试验机连续记录应力与应变。

湿度与卸载速率如何重塑行为

在这些分级循环下，砂浆的应力—应变曲线描绘出循环回路，反映每个循环间未能恢复的变形量。对于更湿的样品和更快的卸载，这些回路变得更密集并向右偏移，表明材料累积更多不可逆变形且在更低应力下失效。作者跟踪了应变随循环次数的累积，发现累积应变与循环次数之间存在明确、近似直线的关系。该线性规律跨越不同含水量和加载路径成立，暗示可用于预测由相似砂浆构成的结构何时接近破坏。他们还将刚度分为加载模量（被压缩时的刚性）和卸载模量（被释放时的刚性）。反复循环起初倾向于压实微小裂缝与孔隙，暂时提高刚度，但更高的含水量始终降低两种模量，并使材料对加载方式更敏感。

能量、损伤与隐含阈值

由于开裂和塑性变形会消耗能量，团队分析了投入到样品的机械能、有多少被回收以及多少不可逆地以损伤形式耗散。他们表明，较湿的砂浆失效所需的总能量远小于干样：完全饱和试件所需的能量约为干样的十分之一。在极慢卸载速率下，耗散能与输入能的比值变化不规则，但当卸载速率超过约2.0 kN/s时，该比值趋于稳定。同样，在比较干、半湿与全湿状态时，他们发现围绕中等含水量（6.99%）存在明显阈值：能量组成随卸载速率变化的趋势在该点发生反向。由累积耗散能导出的损伤指标随循环次数呈指数上升，且更高的湿度既增加了总体损伤，又模糊了不同卸载速率间的差异。

对大坝及其他结构的含义

通俗地说，研究表明水分不仅使砂浆更软更弱，还在荷载以不均速率涨落时增加其隐性疲劳风险。存在关键组合——如接近半饱和的中等湿度和约2.0 kN/s的卸载速率——在这些条件下材料的刚度与能量行为会改变。对于工程师而言，识别这些阈值对应在评估大坝、堤防及其他暴露于水的混凝土结构在真实运行条件下的老化至关重要。结果表明，长期安全性不能仅凭强度评判；潮湿与干燥的历史以及荷载施加和移除的具体方式，同样对于预测损伤何时积累到危险水平至关重要。

引用: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

关键词: 混凝土耐久性, 循环荷载, 水分饱和, 大坝安全, 材料疲劳