摘要

混凝土結構在服役過程中常常受到力與環境因素的顯著影響，軸向壓力與環境濕度是最常見的兩個因素。不同含水量硬化水泥漿體（HCP）在軸向壓力作用下的水遷移行為仍知之甚少。本研究引入了一種新型軸向壓力控制氫核磁共振（¹H NMR）系統，對不同含水量HCP在不同應力水平加載過程中的應變變化和水分布進行了原位監測。結果表明，含水量的降低會減小C-S-H層間距，從而增加C-S-H凝膠的致密化程度，提高水泥基材料的力學性能。C-S-H層滑移的臨界點為平均層間距等于1.89 nm。在軸向壓荷載作用下，C-S-H凝膠被壓縮，導致部分凝膠孔隙重排為層間孔。因此，層間水含量增加，凝膠水含量減少。隨著應力水平的增加，層間含水量逐漸增加。當應力水平等于或超過臨界應力時達到最大值，此時水分遷移行為從完全可逆轉變為部分可逆。這些發現為HCP在機械荷載與水分遷移的耦合作用提供了寶貴的見解，對于預測混凝土結構在各種環境條件下的長期性能和耐久性至關重要。

研究背景

水作為水泥基材料(CBM)的重要組成部分，其在內部孔隙中的分布和遷移將對CBM的性能產生重要影響。根據硬化水泥漿體(HCP)內部孔隙類型，水泥基材料中的水可分為C-S-H層間水、凝膠水、小毛細孔水和大毛細孔水，如表1所示。C-S-H層間水和凝膠水共同存在于納米尺度的C-S-H凝膠中，是決定C-S-H凝膠微觀結構的重要因素。干燥過程中凝膠水和層間水的失去會導致C-S-H層間距減小，凝膠孔向層間孔轉變。當干燥狀態下的HCP再濕潤時，層間孔將重新恢復為凝膠孔。此外，C-S-H層間距影響HCP的徐變性能，C-S-H
內含水量的降低將導致C-S-H重排變得困難，HCP徐變模量增加。然而，由于徐變時HCP內部水分分布發生變化，毛細孔與C-S-H間的水分遷移將導致C-S-H內部含水量發生變化。因此，探究徐變及徐變恢復過程中
HCP內部水分分布的實時變化情況，揭示這一過程將有助于理解HCP體積變形機制。然而，過去關于水分遷移的研究受傳統方法限制，無法實時監測水泥基材料在壓荷載作用下的水分遷移過程。¹H NMR技術可是一種利用水分子中質子的弛豫特性來測量?CBM 中水含量和分布的新方法。該技術能夠對同一樣品進行連續、無損的檢測，從而準確測試CBM在荷載作用下的水分遷移和重分布過程，是定量研究水分遷移的有力工具。在本研究中，采用¹H NMR技術研究了不同相對濕度（RH）環境下?HCP 的水分平衡過程，并評估了達到平衡后的力學性能。此外，還設計了一套具有軸壓控制功能的¹H NMR系統，用于在不同應力水平下原位監測?HCP 加載過程中的應變和水分分布變化。明確了不同類型孔隙水的水分遷移機制及其對?HCP 力學性能的影響，為CBM的變形機制提供了理論依據。

表1.硬化水泥漿體內部孔隙分類及孔徑

實驗信息

1、試樣制備

制備了0.5水灰比的白水泥凈漿。為縮短水化周期和避免后續水化對實驗結果的影響，試樣在脫模后熱水養護2 d，隨后標準養護28 d。不同含水量HCP的制備：（1）飽水樣品：通過真空加壓飽水裝置對試樣進行飽水處理（壓力為8 MPa，飽水時間為12 h）。（2）部分飽水樣品：在不同濕度環境下干燥21 d后，試樣質量基本不變，此時試樣內部水分與環境濕度達到平衡狀態，完成不同含水量試樣的制備。

2、原位加載及¹H NMR測試

詳細的¹H NMR測試和加載步驟如下：

（1）對“空”線圈進行測量，測量結果作為數據反演時的基底使用，以便減去“底噪”的影響。

（2）將HCP放入夾持器中，待線圈內部恒溫后，施加4.25 MPa圍壓。

（3）對初始狀態的試樣進行¹H NMR測試。

（4）按照圖2所示的加載方式對HCP進行加載，達到指定的荷載值時保持恒壓，隨后進行¹H NMR測試，一次¹H NMR測試約200 s。測試完成后立即卸壓，保持卸壓狀態對HCP進行¹H NMR測試。

（5）測試完成后繼續加載，重復第（4）步，直至試樣破壞。

圖1?夾持器內部構造

圖2 實驗加載方式圖

實驗結果

1、不同環境濕度下硬化水泥漿體水分分布

隨著RH降低，凝膠水含量顯著減少，層間水含量先增加后降低，這主要是由于凝膠水的失去導致C-S-H層間距的減小，凝膠孔向層間孔轉變。85% RH平衡后HCP內仍有16.45%的凝膠水和42.04%的層間水。59%RH平衡后HCP內凝膠水含量僅為1.99%，層間水含量達到41.61%。隨著RH的降低，層間水含量開始下降，11%RH平衡后HCP內部層間水含量僅為30.73%。

圖3試樣在不同濕度環境達到水分平衡狀態后內部孔隙水含量變化

2、不同環境濕度下硬化水泥漿體力學性能變化

圖4為不同環境濕度平衡情況下HCP的抗壓強度。抗壓強度隨著RH增加而降低。

圖4?不同RH環境平衡后HCP抗壓強度

圖?5 不同RH試樣在荷載作用下的應變

當荷載值＜臨界荷載（75%fc）前，HCP的應變隨著荷載值增大線性增加。當荷載值超過臨界荷載后，HCP的應變增加率隨著應力值增加逐漸增加。施加相同應力值時，HCP徐變變形隨著RH增加而增加。當荷載值為25.5 MPa時，100% RH和75% RH試樣的應變分別達到0.71%和0.59 %，而11% RH試樣的應變僅為0.38%。由于C-S-H的凝膠特性，失水會導致C-S-H層間距的減小，C-S-H層間距減小及凝膠水的失去導致C-S-H層滑移變得困難，C-S-H徐變柔度降低。卸載狀態下100% RH,75% RH,11% RH試樣的應變恢復量分別為0.44%，0.41%，0.32%。這說明隨著C-S-H含水量的增加，HCP的徐變恢復更為顯著。

3、荷載作用下的水分遷移

對于100%?RH和85%?RH試樣，加載狀態下T₂譜中初始橫向弛豫時間T₂，min隨著應力水平的增加逐漸減小。然而，這種變化趨勢隨著濕度的降低逐漸不明顯。這可能是由于HCP微觀結構在不同濕度下的變化引起的。當在濕度大于80%?RH的環境下干燥時，C-S-H微觀結構的變化并不顯著。相反的，當硬化水泥漿體在低于80%?RH的環境中干燥時，C-S-H層間距逐漸減小，導致荷載作用下層間距的變化變得困難。

此外，荷載作用對HCP中不同類型孔隙水的分布也有重要的影響。對于完全飽和試樣，隨著應力值增大，加載狀態下HCP層間水含量逐漸增大，并且層間水增加量隨著應力值增大而逐漸增大。同時，小毛細孔水含量緩慢減小至幾乎不變，這導致了加載狀態下凝膠水含量略微增大。對于部分飽和試樣，加載狀態下同樣觀察到了層間水含量增加，凝膠水含量減小。

圖6?不同RH試樣在加載過程中水分分布的變化

圖7?不同RH試樣在加、卸載過程中不同類型孔隙水分布的變化

實驗結果分析：

1、不同RH平衡下 C-S-H的微觀結構及其對力學性能的影響

完全飽水HCP內C-S-H凝膠處于完全飽和狀態，此時，徐變過程中HCP的C-S-H層是容易滑動的，在25.5 MPa的壓應力下，對應的徐變應變為0.69%（如圖8中的藍色虛線，徐變應變為所測試的兩個100% RH試樣的平均徐變應變）。結合部分飽水狀態下的線性擬合方程，計算得到C-S-H層滑動難易的臨界點為C-S-H層平均間距（該值可通過T₂譜處理得出）等于1.89 nm。理想狀態下，此時的C-S-H凝膠處于完全飽水狀態，而毛細孔未被水填充（或僅有少量吸附水，如圖9(a)所示）。當HCP的平均飽水孔徑繼續增大時，毛細孔水含量逐漸增多，但徐變應變的增加趨勢趨于平緩，甚至基本不變。相反的，當C-S-H層平均間距小于1.89 nm時（圖9(b)），C-S-H層的滑移變得困難，并且C-S-H層平均間距與試樣的短期徐變應變呈線性關系。當C-S-H層平均間距小于0.87 nm（對應33%RH環境中達到平衡的試樣）時，此時，C-S-H層間僅有少量的層間水，C-S-H層的滑移極為困難。

圖8?壓應力為25.5 MPa時平均飽水孔徑與應變的關系

(a) average interlayer spacing of C-S-H≥1.89 nm

(b) 1.89 nm＞average interlayer spacing of C-S-H≥0.87 nm

(c) average interlayer spacing of C-S-H＜0.87 nm

圖9?平均C-S-H層間距對C-S-H層滑移的影響機制

2、荷載作用引起的水分遷移

完全飽水HCP的初始微觀結構如圖9（a）左圖所示。荷載作用下凝膠水向層間水遷移，伴隨著原本的層間孔被擠壓導致更小的層間孔出現，這導致了峰面積增加。同時，部分小毛細孔水向凝膠孔遷移。凝膠水和小毛細孔水的遷移將在卸載狀態下恢復，如圖9（a）所示。圖9（b）展示了部分飽水HCP在荷載作用下的水分遷移過程，可分為兩部分：（1）壓應力導致C-S-H層間距減小，凝膠孔發生重排，轉變為層間孔，同時，更小孔徑的被水填充的層間孔產生。值得注意的是，在原位加載的過程中，部分飽和試樣僅85% RH試樣明顯的觀察到了微觀結構的變化。當干燥程度增加（經歷長期干燥或低濕度干燥）時，硅酸鹽鏈的聚合度將增加，導致C-S-H顆粒更硬、更密實（即化學老化），并使C-S-H層間距進一步減小。兩者的聯合作用將導致微觀結構變得難以改變。（2）壓應力作用下，凝膠孔中的水被“擠出”，這部分水會沿著相鄰的、更大孔中孔壁的水膜遷移。當施加外界壓力時，孔隙被壓縮，如圖10所示。此時，孔徑小于開爾文半徑的孔隙是飽和的，孔隙中的水將被擠壓至更大的孔中。

（a）飽和狀態

（b）部分飽和狀態（以85% RH試樣為例）

圖9?應力值大于臨界應力時飽水及部分飽水HCP在荷載作用下的水分遷移機制（注：在圖中，紅色、藍色、綠色圓分別為層間水、凝膠水和小毛細孔水。圖中的紅色數字為最小C-S-H層間距）

圖10 外壓力作用下孔結構的變化(注: 圖(b)中的虛線為受壓前孔壁的位置)

本文結論

（1）在干燥過程中，HCP內部孔隙水由毛細孔、凝膠孔、層間孔的順序逐漸失去。當毛細孔水基本失去后，隨著干燥的繼續，C-S-H層間空間逐漸減小，導致HCP抗壓強度及徐變模量逐漸增加。

（2）基于平均飽水孔徑建立了HCP的平均飽水孔徑與抗壓強度及短期徐變應變的方程，提供了一種預測HCP力學性能的新方法。由此方程可計算出C-S-H層滑移的難易分界點為平均C-S-H層間距等于1.89 nm。

（3）壓荷載作用導致C-S-H層間距減小，部分凝膠孔向層間孔轉變，同時，層間孔孔徑減小。卸載時，受壓的層間孔被釋放，C-S-H層間距恢復，層間水重新轉變為凝膠水。這證明了微觀結構變化與水分遷移的密切聯系。

（4）軸向應力水平顯著影響著硬化水泥漿體中的水分遷移現象。對應于層間水的¹H NMR信號強度隨著應力水平的增加逐漸增加，并且當應力水平超過臨界應力時，對應于層間水的¹H NMR信號強度增加量達到最大值。此時，水分遷移現象由完全可逆轉變為部分可逆。

推薦設備：

附帶軸壓控制系統的氫核磁共振設備

參考文獻：

[1] Huang Z, Yang Y, Liu J, et al. Effect of loading on water distribution and migration characteristics of hardened cement paste with different water content [J]. Composites Part B: Engineering, 2025, 298: 112370.