SCM改性高性能混杂纤维增强混凝土的多维断裂评估：来自WFM、SEM和BEM方法的比较见解

《Results in Engineering》：Multidimensional Fracture Assessment of SCM-Modified High-Performance Hybrid Fiber-Reinforced Concrete: Comparative Insights from WFM, SEM, and BEM Approaches

为解决高性能混凝土（HPC）的脆性断裂问题并提升其可持续性，研究人员开展了SCM（硅灰、矿渣、石粉）改性混杂纤维增强混凝土（HPHFRC）的断裂性能研究。通过WFM、SEM和BEM三种方法系统评估了断裂能（GF、Gf）、断裂韧性（KIC）等关键参数，发现10%硅灰显著提升断裂性能但增加脆性，而三元/四元混合物（含矿渣和石粉）虽降低峰值抗力但改善延性和裂纹稳定性。研究为设计兼具高断裂韧性和可持续性的混凝土材料提供了力学依据和优化策略。

　　

混凝土作为全球使用最广泛的人造建筑材料，因其可及性、多功能性和机械强度而备受青睐。然而，传统高性能混凝土（HPC）虽具有增强的强度、低渗透性和优异耐久性，却存在固有的脆性，易在服役和极限荷载下发生裂纹萌生和扩展，从而危及结构完整性。此外，其生产通常需要较高水泥用量，引发成本、收缩和环境可持续性方面的担忧。为应对HPC的脆性，掺入离散纤维已成为广泛接受的策略。纤维增强混凝土（FRC）表现出改善的裂后响应，纤维桥接微裂纹、延迟其合并，并赋予更大的能量吸收和变形能力。但单一种类或尺寸纤维的益处往往有限，因其仅在窄裂纹宽度范围内有效。纤维混杂化（hybridization），即组合两种或更多具有不同机械和尺寸特性的纤维类型，可产生协同效应，在多尺度上扩展裂纹桥接效率，从而改善韧性和延展性。然而，引入混杂纤维通常需要更多水泥浆体以保持均匀性和工作性，这可能增加复合材料的环境影响和成本。

与此同时，研究人员越来越多地使用辅助性胶凝材料（SCMs），如硅灰（SF）、磨细粒化高炉矿渣（GGBFS）和石粉（QSP），以增强混凝土的机械性能和可持续性。这些SCMs部分替代水泥基体中的波特兰水泥，从而减少CO₂排放、保护自然资源并降低生产成本。其中，硅灰（硅金属或硅铁合金生产的副产品）以其超细粒径和高无定形二氧化硅含量而闻名，其火山灰反应性导致增加水化硅酸钙（C-S-H）形成、微观结构致密化和基体细化。此外，SF被报道可改善纤维与水泥基基体之间的界面粘结，从而增强纤维增强的有效性。例如，Zhang等人发现SF不仅提高了整体基体强度，还放大了纤维脱粘效率，促进断裂过程中更好的能量耗散。GGBFS（源自钢铁制造）则以其潜在水硬性著称，在碱性环境中激活后可显著贡献于基体致密化和长期强度增长。尽管其对抗压强度和耐久性的影响已被广泛研究，但关于其对断裂性能的发现仍不一致。类似地，QSP（石材加工行业的废弃副产品）作为环境友好型填充材料正受到关注，它有助于颗粒堆积密度和内摩擦，但也可能稀释粘结相并降低早期机械强度。

尽管已有这些努力，关于包含多种SCMs协同组合的高性能混杂纤维增强混凝土（HPHFRC）的断裂行为仍存在关键研究空白。现有研究主要考察单个SCMs或二元混合物的孤立效应，常关注抗压或抗拉强度而非断裂特定参数。此外，混杂纤维与多SCM基体之间的相互作用——特别是在基于能量的断裂韧性和延性相关指标（如特征长度、断裂过程区深度和参考裂纹长度）方面——尚未得到系统评估。

本研究通过研究HPHFRC的断裂性能来填补这一空白，该混凝土包含协同SCM混合物（SF、GGBFS和QSP）并结合混杂钢和合成纤维。总共测试了180个不同尺寸的缺口混凝土梁，使用三种互补的断裂力学方法——断裂功方法（WFM）、尺寸效应方法（SEM）和边界效应方法（BEM）——以实现对断裂能、韧性指数和非弹性区演化的多尺度评估。这一集成框架提供了关于SCM协同如何影响断裂抗力和峰后延性之间平衡的新见解，为关键荷载条件下的韧性水泥基复合材料提供了基于力学的设计策略。

本研究采用了三种关键的断裂力学评估方法：断裂功方法（WFM）基于粘聚裂纹模型，通过积分荷载-跨中挠度曲线下的面积来计算总断裂能（G_F）；尺寸效应方法（SEM）基于非线性断裂力学，利用几何缩放缺口梁的峰值荷载数据，通过线性回归分析获取初始断裂能（G_f）、断裂韧性（K_IC）和断裂过程区长度（c_f）等尺寸无关参数；边界效应方法（BEM）则通过模拟边界积分应力场，提取类似的断裂指标以及参考裂纹长度（a_∞^*）和预测抗拉强度。所有试验均在位移控制下进行，确保准静态条件，使用200 kN万能试验机，恒定位移速率为0.03 mm/min。样本包括尺寸为380×140×140 mm的WFM梁、深度为70、140和280 mm的SEM梁，以及宽度为70 mm、不同缺口深度比（a/d=0.1, 0.2, 0.6）的BEM梁。此外，还测定了立方体和圆柱体试样的抗压强度（f_c）、劈裂抗拉强度（f_t）和弹性模量（E），以全面表征材料性能。

研究结果显示，硅灰（SF）的掺入显著提升了断裂性能。二元混合物SF10（10% SF替代水泥）的断裂能（G_F）和断裂韧性（K_IC）分别比对照组（Cont.）提高了16.7%和15.5%，这归因于SF的火山灰和填充效应促进了额外C-S-H凝胶的形成，细化了界面过渡区（ITZ），并增强了宏纤维与基体的粘结。扫描电镜（SEM）图像显示SF10具有致密的微观结构和成熟的水化产物网络，纤维多以断裂而非拔出为主，表明强界面粘结但有限延性提升（特征长度L_ch仅增3.5%）。

相反，包含GGBFS和QSP的三元和四元混合物虽降低了峰值断裂抗力，但改善了延性。例如，QSP20（20% QSP + 10% SF）的G_F和K_IC分别降低了18.8%和15.9%，但特征长度L_ch增加了6.8%， failure mode以纤维拔出为主，表明弱化的纤维-基体粘结促进了延性响应。类似地，GGBFS15QSP10（10% SF + 15% GGBFS + 10% QSP）四元混合物展现了最优的平衡性能：断裂能保持与对照组相当，而断裂过程区长度c_f和参考裂纹长度a_∞^*分别增加了17.3%和20.5%，实现了高延性和适度韧性的结合。

微观结构分析进一步证实了这些力学趋势。SF10显示出致密的C-S-H凝胶网络和强界面粘结，导致纤维断裂；而含GGBFS和QSP的混合物则呈现多孔结构和部分水化水泥颗粒，界面区存在间隙，促进了纤维拔出和能量耗散。这些发现突出了SCM组合在调控断裂模式方面的关键作用：SF增强 toughness through纤维断裂，而GGBFS和QSP增强 ductility through纤维拔出。

本研究通过多维断裂评估，揭示了SCM改性HPHFRC的断裂性能与微观结构之间的内在联系。结果表明，通过优化SCM组合（如四元混合物GGBFS15QSP10），可以在不显著牺牲断裂能的前提下显著提升混凝土的延性和裂纹稳定性，为设计可持续、高韧性的水泥基复合材料提供了重要依据。此外，三种断裂评估方法（WFM、SEM、BEM）展现出一致的趋势和互补的见解，验证了其在表征准脆性材料断裂行为中的可靠性。未来研究可进一步探索耐久性-断裂相互作用、龄期依赖性断裂性能以及多轴加载条件下的行为，以推动HPHFRC在 fracture-critical infrastructure中的广泛应用。