海水冻融循环作用下碱激发矿渣海水海砂再生骨料混凝土的断裂行为

《Journal of Building Engineering》：Fracture behavior of alkali-activated slag seawater sea-sand recycled aggregate concrete under seawater freeze–thaw cycles

　　

• 引气、纳米 SiO2 和树脂预涂（RPC）通过不同机制改良了 AASRAC。
• 所有改良后的 AASRAC 在海水冻融暴露下均满足 F300 要求。
• 建立了一个简单模型来预测 AASRAC 的真实断裂参数。
• 材料非均质性和不连续性被纳入断裂模型中。
• 揭示了改良 AASRAC 在海水冻融暴露下的断裂模式。

引言
沿海和海上基础设施（包括海堤、防波堤和海洋桥梁基础）的可持续发展需要减少对淡水、河砂和天然骨料的依赖。沿海地区拥有丰富的海水和海砂，可用于替代混凝土生产中的淡水和河砂 [1], [2]。源自建筑和拆除废弃物的再生粗骨料（RCA）可进一步减少天然骨料的消耗并促进固体废物再利用 [3]。同时，由工业副产品（如粒化高炉矿渣（GGBFS）和粉煤灰（FA））制备的碱激发胶凝材料为普通波特兰水泥提供了有前景的低碳替代方案 [4]。因此，将碱激发胶凝材料、海水、海砂和 RCA 结合生产碱激发矿渣海水海砂再生骨料混凝土（AASRAC），在减碳、本地资源利用和海洋工程适用性方面具有潜在优势。

然而，海水、海砂和 RCA 的使用也引入了耐久性担忧。海水和海砂含有氯离子和硫酸根离子，而 RCA 通常含有附着旧砂浆、残余微裂缝和弱旧界面过渡区（ITZs）[5], [6]。这些特征可能会增加孔隙连通性、削弱界面粘结并降低对环境恶化的抵抗力。在寒冷海洋地区，混凝土进一步暴露于海水侵蚀和冻融循环的耦合作用下 [7]。水力压力、渗透压力和盐结晶可能共同诱发表面剥落、质量损失、内部开裂和强度退化 [8]。对于 AASRAC，多孔的附着砂浆和 RCA 中的初始缺陷可能会吸收更多海水，这可能会加剧复合材料的冻融劣化。因此，海水冻融（SFT）损伤是 AASRAC 在寒冷海洋环境中应用的关键问题。

RCA 的固有缺陷是 AASRAC 耐久性和断裂行为的核心。与自然骨料相比，由于附着旧砂浆和破碎过程中产生的微裂缝，RCA 通常具有更高的吸水率、更高的压碎值和更低的机械完整性 [5], [6]。这些缺陷削弱了 RCA 与碱激发基质之间形成的新 ITZ。为了提高再生骨料混凝土的冻融抗性，已研究了多种改良策略，包括引气 [9] 和骨料表面强化 [10], [11], [12], [13]。引气通过在基质中引入稳定的微气泡来提高冻融抗性，从而缓解冻结期间的水力和渗透压力 [14]。其他骨料表面处理方法旨在通过降低吸水率、填充孔隙和微裂缝、致密化附着砂浆和强化 ITZ 来更直接地提高 RCA 质量。在这些方法中，纳米 SiO2 处理已被用于提高再生骨料混凝土的耐久性。Liu 等人 [15] 报道，经纳米 SiO2-水玻璃混合溶液改良的再生骨料混凝土，其 56 天抗压强度和抗拉强度分别提高了 25.3% 和 21.1%。同一研究将这种改善归因于纳米 SiO2 的填充效应和硅酸钠的成膜效应，两者共同修复了附着砂浆中的孔隙和裂缝。此外，纳米 SiO2 和硅酸钠参与二次水化反应生成额外的 C-S-H 凝胶并致密化 ITZ [15]。树脂预涂处理提供了另一种提高 RCA 质量的有效途径。Boopaphi 等人 [13] 发现，暴露于海水中的树脂预涂粉煤灰混凝土表现出更高的强度、更低的 pH 值降低、改进的氯离子渗透抗性以及无可见表面微裂缝或孔洞。Wang 等人 [16] 也证明环氧树脂对侵蚀性离子的传输具有屏障效应。Han 等人 [17] 证明 RPC 可以通过毛细作用密封砂岩和花岗岩中的次表层微裂缝，并提高修复试件的峰值荷载和断裂能。与主要在水泥外部形成保护层的传统表面环氧涂层不同，本研究使用的 RPC 处理旨在改良 RCA 的内部缺陷。RCA 通常含有大量孔隙、微裂缝和弱附着砂浆。在 RPC 处理中，低粘度的环氧树脂 - 丙酮溶液更容易进入附着砂浆的孔隙和微裂缝。在丙酮蒸发和树脂固化后，孔隙和裂缝壁上保留了一层薄薄的树脂相，这平滑并稳定了缺陷表面，并促进了随后碱激发浆料的渗透和粘结。然而，引气、纳米 SiO2 处理和树脂预涂对 SFT 暴露下 AASRAC 的改良机制和比较有效性仍需要系统调查。

大多数关于海水海砂混凝土 [18], [19]、再生骨料混凝土 [12], [20], [21] 和碱激发混凝土 [14], [22] 在海洋环境中耐久性的现有研究主要通过宏观指标进行量化，如抗压强度、质量损失和相对动弹性模量（RDEM）。与这些传统指标相比，断裂参数如抗拉强度（ft）和断裂韧性（KIC）对微裂缝发展、ITZ 劣化和冻融引起的内部损伤更为敏感。因此，断裂性能对于评估裂纹萌生、裂纹扩展和结构安全至关重要，特别是对于暴露于侵蚀性环境的海洋混凝土结构。

抗拉强度（ft）和断裂韧性（KIC）是控制断裂性能的两个基本参数。在传统方法中，ft 通常由基于强度的传统材料力学获得，而 KIC 则在线弹性断裂力学（LEFM）框架内引入以表征裂纹扩展阻力。然而，传统材料力学和 LEFM 都是建立在材料连续性和均匀性假设之上 [23], [24]。由于混凝土（特别是再生骨料混凝土）具有显著的非均质性，这些假设很难完全满足。此外，传统方法获得的 ft 和 KIC 值可能表现出明显的尺寸依赖性 [25]。为了克服这一局限性，有必要建立一种尺寸无关的断裂参数预测方法。先前的研究表明，边界效应模型（BEM）可用于确定非均质和不连续材料的固有断裂参数 [26], [27], [28]。BEM 已成功应用于陶瓷 [29]、烧结粘土砖 [30]、碱激发混凝土 [31], [32], [33]、超高性能混凝土 [34], [35] 和碳纤维增强聚合物板 [36]。此外，该模型已被用于预测经历常规淡水冻融循环 [32] 和硫酸盐干湿循环 [33] 的含海砂或再生骨料的碱激发混凝土的断裂参数。这些研究证明了基于 BEM 的预测模型对碱激发混凝土的适用性。 however, the influence of SFT action and RCA modification on the fracture behavior and BEM-derived fracture parameters of AASRAC remains insufficiently understood. In particular, systematic comparisons of different modification methods of RCA are still limited. Therefore, it is necessary to apply BEM to quantitatively evaluate the fracture resistance of AASRAC with different modification methods under SFT exposure.

本研究的目标是通过评估其断裂行为来开发专门针对寒冷海洋环境耐久性优化的低碳 AASRAC。采用了三种改良方法，即引气、纳米 SiO2 浸渍和树脂预涂（RPC）处理，以提高 AASRAC 的性能。本研究的创新在于系统评估了掺入不同再生骨料改良方法的 AASRAC 在 SFT 循环下的断裂性能退化。具体而言，从 SFT 抗性角度比较评估了三种改良方法。在此基础上，建立了一个基于 BEM 的框架来量化 SFT 循环期间 ft 和 KIC 的演化。然后利用断裂参数比较了不同改良方法 AASRAC 的断裂性能退化。研究结果有望为寒冷海洋环境暴露下 AASRAC 的耐久性设计和抗裂性评估提供理论依据和实验参考。

章节片段
原材料
图 1 展示了本研究中使用的 precursors，即 S95 级粒化高炉矿渣（GGBFS）和 II 级高钙粉煤灰（FA）。其化学组成及相应含量总结于表 1。图 2 展示了本研究中使用的细骨料，这是一种级配良好的海砂，最大粒径为 4.75 mm [37]。关键性能总结于表 2。
对于粗骨料，尺寸为 5-10 mm 的再生粗骨料（RCA）

基本力学性能
不同类型 AASRAC 的测量基本力学性能总结于图 7，其中误差棒代表测试结果的标准差。与未处理混合物（W-AASRAC）相比，引入引气剂（A-AASRAC）导致 7 天和 28 天立方体抗压强度分别降低了 8.58% 和 5.13%。此外，轴向抗压强度和静弹性模量分别降低了 3.21% 和 6.70%。这种降低

BEM 的介绍
根据边界效应模型（BEM）[26], [28]，试件的名义强度（σn）显著受到前后边界施加的约束影响。为了量化裂纹尖端相对于试件边界的相对位置，引入了等效裂纹长度 ae，用于表征裂纹尖端到最近边界的距离。ae 对 σn 的影响如图 13 所示，相应的解析关系给出在

BEM 衍生的 ft 和 KIC 对 β 和 Cch 可能变化的敏感性
作为所提模型中的必要参数，离散系数（β）被纳入以代表裂纹扩展的不连续性，在前述计算中固定为 1.5。由于对于中小型试件，Δac 通常是 Cch 的 1-2 倍，因此 β 的适用范围通常被认为是 1-2 [49]。为了评估该参数的敏感性，选择了 β = 1.0, 1.5 和 2.0 进行比较分析。表 15 总结了 β 对

结论
本研究调查了通过引气、纳米 SiO2 浸渍和 RPC 处理改良的三种 AASRAC 混合物的 SFT 抗性和断裂性能。基于基本力学测试、SFT 耐久性测试、三点弯曲断裂测试和微观结构观察，可以得出以下结论。
(1) 三种改良方法通过不同机制影响了改良 AASRAC 混合物的力学性能和 SFT 抗性。引气引入

CRediT 作者贡献声明
Zhongke Sun: 数据管理。Wanxiu Wu: 形式分析，数据管理。Yongqing Bai: 监督，方法论，数据管理。Zhengyuan Chen: 数据管理。Tiange Yang: 原稿撰写，形式分析，数据管理。Chunhui Xu: 数据管理。Shutong Yang: 撰写 – 审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，形式分析，概念化

利益冲突声明
? 作者声明他们不知道任何可能被认为影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号 52178259）和非金属卓越与创新中心建筑材料项目基金（批准号 25PHD-2）的资助。

Tiange Yang|Shutong Yang|Chunhui Xu|Wanxiu Wu|Zhongke Sun|Yongqing Bai|Zhengyuan Chen