暴露在低温环境下的碱激活矿渣/粉煤灰再生混凝土复合材料的静态力学性能、损伤演变过程及其可持续性评估

《Environmental Research》：Static mechanical properties, damage evolution, and sustainable assessment of alkali-activated slag/fly recycled concrete composite exposed to cryogenic temperatures

本研究系统探究了碱激发矿渣/飞灰再生混凝土（AARC）在低温（20℃至-90℃）下的静力学性能及损伤演化规律，建立了热力耦合损伤本构模型，并利用SEM-EDS分析揭示其微观机制。通过可持续评估量化碳减排及成本效益，雷达图综合评估工程性能与环境可持续性，为极低温环境下的AARC优化设计提供理论支撑。

　　近年来，随着全球气候变化的加剧，低碳、可持续建筑材料的研究日益受到重视。混凝土作为现代建筑中不可或缺的材料，其生产过程对环境的影响不容忽视。据统计，混凝土的生产占全球二氧化碳排放量的8%。这一比例在建筑、道路、隧道、桥梁和水利工程等众多领域中尤为显著。在城市化进程不断加快的背景下，混凝土的需求持续上升，这不仅增加了水泥和骨料的消耗，还进一步加剧了环境的恶化。与此同时，各国纷纷提出碳中和目标，推动绿色建筑材料的研发和应用。在此背景下，碱激发粉煤灰再生混凝土（AARC）作为一种利用工业固体废弃物和再生骨料的材料，因其低碳、可持续和经济性等优点，受到了广泛关注。

AARC的制备主要依赖于工业副产品，如粉煤灰和矿渣，以及通过拆除、破碎和筛分获得的再生骨料（RA）。这些材料的使用不仅有助于减少水泥的使用量，从而降低混凝土生产的碳排放，还能提高建筑废料的再利用率，减少土地资源的占用和运输过程中的温室气体排放。然而，尽管AARC在低碳环保方面具有显著优势，其在极端低温环境下的性能表现仍存在诸多未知。因此，研究AARC在低温条件下的静态力学性能、损伤演化机制以及可持续性评估显得尤为关键。

在常规混凝土中，随着温度的降低，其力学性能通常呈现出增强的趋势。然而，这种增强往往伴随着明显的脆性效应，如特征长度缩短和峰值应变降低。这种现象的出现主要是由于低温环境下，孔隙水发生相变，形成冰晶，从而对材料内部结构产生填充和预应力作用。同时，低温还会引发材料微观结构的变化，进一步影响其力学行为。因此，研究低温对AARC的影响不仅有助于理解其性能变化，还能为极端低温环境下的工程应用提供理论支持。

目前，关于AARC在低温环境下的研究仍处于初步阶段。大多数已有研究主要集中在高温条件下的性能表现，而对低温下的研究相对较少。此外，现有的研究多关注于宏观力学性能，如抗压强度、抗弯性能和应力-应变关系，而对低温下材料内部损伤演化机制的研究则较为不足。因此，有必要对AARC在低温条件下的性能进行全面、系统的分析，以揭示其在极端低温环境下的行为特征，并为材料的优化设计和实际应用提供科学依据。

为了填补这一研究空白，本研究系统地考察了AARC在20、-30、-60和-90摄氏度下的静态力学性能，同时研究了不同再生骨料含量（0%、25%、50%、75%和100%）对材料性能和损伤演化的影响。研究内容涵盖了材料的抗压强度、抗弯性能以及应力-应变特性。此外，研究还通过非线性回归方法建立了强度预测方程，并利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对再生骨料在低温条件下的界面行为进行了定量分析。通过这些手段，研究者能够更全面地理解AARC在低温条件下的性能变化机制，并为材料的优化设计提供支持。

本研究还建立了基于等效应变假设的热-力学耦合损伤本构模型，并结合损伤演化规律对模型的准确性和适用性进行了评估。该模型能够有效描述AARC在低温条件下的损伤演化过程，为材料的失效风险评估提供理论依据。此外，研究还从可持续性的角度出发，对AARC的碳排放、单位成本和能耗进行了量化分析。通过雷达图分析框架，对AARC的综合性能进行了全面评估，为材料在极端低温环境下的应用提供了科学支持。

在材料的微观结构分析方面，研究通过SEM技术对AARC的内部结构进行了详细观察。结果表明，在低温条件下，AARC的内部结构会发生显著变化。特别是在再生骨料与残余砂浆界面（ITZ-1）以及残余砂浆与碱激发胶凝体界面（ITZ-2）处，材料的损伤演化更为明显。在水化过程中，残余砂浆由于其较高的亲水性，会在其界面处形成大量低密度的钙铝硅酸盐水化物（C–A–S–H），这可能对材料的力学性能产生积极或消极的影响。因此，研究材料的微观结构变化对于理解其在低温条件下的性能表现具有重要意义。

在实际应用中，AARC的性能表现不仅受到材料本身的影响，还受到外部环境条件的制约。例如，在极端低温环境下，如青藏铁路、南极研究站、北极油气勘探平台和液化天然气储罐等，AARC的使用面临诸多挑战。在这些环境中，低温不仅会影响材料的力学性能，还可能加速其损伤演化，从而降低材料的使用寿命和结构安全性。因此，有必要对AARC在低温条件下的性能进行全面评估，并探索其在极端环境中的应用潜力。

在现有研究的基础上，本研究首次提出了一种综合分析框架，将低温条件与损伤力学相结合，以系统地研究AARC在低温环境下的性能变化。通过建立热-力学耦合损伤本构模型，研究者能够更准确地描述材料在低温条件下的损伤演化过程，并为材料的失效风险评估提供理论支持。此外，研究还通过雷达图分析框架对AARC的综合性能进行了全面评估，以量化其在低温条件下的环境和经济优势。这些研究成果不仅有助于理解AARC在极端低温环境下的行为特征，还为材料的优化设计和实际应用提供了科学依据。

在研究过程中，研究者还对AARC的环境和经济性能进行了量化分析。通过排放因子法，对AARC的碳排放、单位成本和能耗进行了计算。这一方法因其简便性和计算效率而被广泛采用。研究结果显示，AARC在低温条件下的碳排放和单位成本均低于传统混凝土（OPC），这表明其在环境和经济方面具有显著优势。此外，研究还通过雷达图分析框架对AARC的综合性能进行了评估，以更全面地了解其在极端低温环境下的应用潜力。

在研究的最后，研究者对AARC在低温条件下的性能变化机制进行了总结。研究结果表明，低温环境下的AARC表现出增强的力学性能，但同时也伴随着明显的脆性效应。这种脆性效应主要源于低温环境下，材料内部的微观结构变化。此外，再生骨料含量对AARC的低温性能也有显著影响。适当含量的再生骨料能够降低材料的初始损伤，从而提升其在低温环境下的性能表现。然而，过量的再生骨料会导致材料性能的退化，并加速其损伤演化。因此，在AARC的优化设计中，需要合理控制再生骨料的含量，以平衡其在低温环境下的性能表现和环境、经济优势。

在材料的微观结构分析方面，研究还发现，低温环境下的AARC内部结构会发生显著变化。特别是在再生骨料与残余砂浆界面以及残余砂浆与碱激发胶凝体界面处，材料的损伤演化更为明显。这种损伤演化可能与低温环境下，孔隙水的相变和冰晶的形成有关。冰晶的形成不仅对材料内部结构产生填充和预应力作用，还可能引发微裂纹的产生和扩展，从而降低材料的力学性能。因此，研究材料的微观结构变化对于理解其在低温条件下的性能表现具有重要意义。

在实际应用中，AARC的性能表现不仅受到材料本身的影响，还受到外部环境条件的制约。例如，在极端低温环境下，如青藏铁路、南极研究站、北极油气勘探平台和液化天然气储罐等，AARC的使用面临诸多挑战。在这些环境中，低温不仅会影响材料的力学性能，还可能加速其损伤演化，从而降低材料的使用寿命和结构安全性。因此，有必要对AARC在低温条件下的性能进行全面评估，并探索其在极端环境中的应用潜力。

本研究的成果对于推动AARC在极端低温环境下的应用具有重要意义。通过系统地研究AARC在低温条件下的性能变化，研究者能够为材料的优化设计和实际应用提供科学依据。此外，研究还揭示了AARC在低温环境下的损伤演化机制，为材料的失效风险评估提供了理论支持。这些研究成果不仅有助于理解AARC在极端低温环境下的行为特征，还为材料的可持续发展提供了新的思路。

在研究的最后，研究者对AARC在低温条件下的性能变化机制进行了总结。研究结果表明，低温环境下的AARC表现出增强的力学性能，但同时也伴随着明显的脆性效应。这种脆性效应主要源于低温环境下，材料内部的微观结构变化。此外，再生骨料含量对AARC的低温性能也有显著影响。适当含量的再生骨料能够降低材料的初始损伤，从而提升其在低温环境下的性能表现。然而，过量的再生骨料会导致材料性能的退化，并加速其损伤演化。因此，在AARC的优化设计中，需要合理控制再生骨料的含量，以平衡其在低温环境下的性能表现和环境、经济优势。

在材料的微观结构分析方面，研究还发现，低温环境下的AARC内部结构会发生显著变化。特别是在再生骨料与残余砂浆界面以及残余砂浆与碱激发胶凝体界面处，材料的损伤演化更为明显。这种损伤演化可能与低温环境下，孔隙水的相变和冰晶的形成有关。冰晶的形成不仅对材料内部结构产生填充和预应力作用，还可能引发微裂纹的产生和扩展，从而降低材料的力学性能。因此，研究材料的微观结构变化对于理解其在低温条件下的性能表现具有重要意义。

在实际应用中，AARC的性能表现不仅受到材料本身的影响，还受到外部环境条件的制约。例如，在极端低温环境下，如青藏铁路、南极研究站、北极油气勘探平台和液化天然气储罐等，AARC的使用面临诸多挑战。在这些环境中，低温不仅会影响材料的力学性能，还可能加速其损伤演化，从而降低材料的使用寿命和结构安全性。因此，有必要对AARC在低温条件下的性能进行全面评估，并探索其在极端环境中的应用潜力。

本研究的成果对于推动AARC在极端低温环境下的应用具有重要意义。通过系统地研究AARC在低温条件下的性能变化，研究者能够为材料的优化设计和实际应用提供科学依据。此外，研究还揭示了AARC在低温环境下的损伤演化机制，为材料的失效风险评估提供了理论支持。这些研究成果不仅有助于理解AARC在极端低温环境下的行为特征，还为材料的可持续发展提供了新的思路。