纤维增强聚合物(FRP)约束沙漠砂混凝土的力学与微观结构性能研究

为解决传统混凝土生产中河砂过度开采导致的生态失衡问题，研究人员开展了纤维增强聚合物(FRP)约束沙漠砂混凝土(DSC)的多尺度实验研究。结果表明，50%沙漠砂替代河砂可降低孔隙率并提升抗拉性能，FRP约束对DSC的强度增强效果优于普通混凝土(NC)，且现有FRP约束模型适用于DSC设计。该研究为沙漠砂资源化利用提供了可持续解决方案。

　　

全球建筑行业长期依赖河砂作为混凝土生产的关键原料，但过度开采已引发严重的生态危机。澳大利亚等干旱地区丰富的沙漠砂资源为替代方案提供了可能，但其球形颗粒形态和低细度模数导致力学性能不足，制约了实际应用。与此同时，纤维增强聚合物(FRP)约束技术能显著提升混凝土结构的承载力和延性，但针对沙漠砂混凝土(Desert Sand Concrete, DSC)的FRP约束机制尚不明确。

针对这一科学问题，来自澳大利亚西悉尼大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表了创新性研究。该工作通过多尺度实验方法，系统评估了50%沙漠砂替代河砂对混凝土性能的影响，并首次揭示了FRP约束对DSC的增强机理。研究采用宏观力学测试与微观表征相结合的技术路线，包括压缩/劈裂试验、扫描电镜(SEM)、X射线断层扫描(Micro-XCT)和X射线衍射(XRD)等先进表征手段，对普通混凝土(Normal Concrete, NC)和DSC试样进行了全面对比分析。

3.1 失效模式分析
研究发现，无论是否采用FRP约束，NC与DSC试件均呈现相似的破坏形态。未约束试件表现为典型压碎破坏，而FRP约束试件则以纤维突然断裂为特征，破坏均发生在试件中部，表明沙漠砂类型不影响破坏模式。

3.2 强度性能对比
50%沙漠砂替代使DSC无约束抗压强度降低4.55%，但抗拉强度提升6.55%。这种差异源于沙漠砂的"滚珠效应"——其球形颗粒虽降低机械咬合力，但细颗粒特性显著减少孔隙率（Micro-XCT显示孔隙体积减少76.7%），从而抑制裂纹扩展。

3.3 约束增强效应
FRP约束对DSC的强度增强系数k₁(2.48)高于NC(2.32)，但应变增强系数k₂(5.60)低于NC(5.90)。这种差异与DSC更致密的微观结构相关：较低孔隙率限制了微裂纹发展，导致变形能力减弱。值得注意的是，现有FRP约束模型对DSC的应力-应变曲线预测误差小于8%，验证了传统模型的适用性。

4 微观结构特征
SEM和光学显微镜显示，沙漠砂颗粒有效填充了水泥基体孔隙。XRF和XRD分析进一步表明，沙漠砂95.62%的SiO₂含量可能引发碱硅反应(ASR)，但FRP的耐腐蚀特性恰好弥补了这一缺陷。

该研究首次证实：50%沙漠砂替代河砂可优化混凝土微观结构；FRP约束对DSC的增强效果存在"强度-应变"的差异化特征；现有NC约束模型可直接推广至DSC应用。这些发现不仅为沙漠地区建筑材料开发提供了科学依据，更推动了建筑行业向可持续发展转型。研究提出的多尺度分析方法，为后续新型生态混凝土研发建立了标准化研究框架。