钢纤维增强地质聚合物再生骨料混凝土高温力学性能与退化机理研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical performance and degradation mechanism of steel fiber-reinforced geopolymer recycled aggregate concrete exposed to high temperatures

　　

钢纤维增强地质聚合物再生骨料混凝土（SFR-GRAC）是一种可持续低碳材料，能够实现建筑废弃物的资源化利用，但其耐火性能及多尺度热降解机制尚未得到充分表征。本文对暴露于高温后的SFR-GRAC力学性能进行了试验研究。研究人员测试了钢纤维（SF）体积分数为0–1.5%、再生骨料（RA）替代率为0–100%的试件在20–800 °C暴露后的破坏形态、抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。采用X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）和压汞法（MIP）对SFR-GRAC的微观结构演变进行了表征。结果表明，可见表面开裂始于600–800 °C，主要由水汽蒸发引起。对于不含RA的试件，掺入1.0%的SF可降低400 °C以上的表观质量损失，因为纤维氧化引起的质量增加部分抵消了基体的质量损失。热暴露加剧了试件破坏，而SF掺入改善了试件完整性并将压缩破坏模式从拉伸破坏转变为剪切破坏，RA的影响有限。经历200–800 °C后，试件的残余立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量分别保留了室温值的13.92%–84.95%、3.93%–73.69%、14.31%–91.57%和0.94%–48.68%。此外，SF掺入提升了这些力学性能，而RA则表现出不利影响。微观结构分析揭示了界面过渡区（ITZs）的逐步劣化和孔隙结构的粗化，伴随800 °C下铝硅酸盐凝胶的结晶。基于本研究及文献中的试验结果，研究人员建立了考虑RA、SF和暴露温度参数影响的残余力学性能指标预测模型。

一、研究背景与意义

全球城市化进程加速导致大量建筑垃圾产生，其中废弃混凝土占比最大。将废弃混凝土破碎加工成再生骨料（Recycled Aggregate, RA）用于制备再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete, RAC），可实现固废资源化并减少天然资源消耗。然而，RA自身高孔隙率、低抗压碎性易导致其与基体间的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）薄弱，进而削弱RAC力学性能。为此，研究者探索了多种优化策略。地质聚合物（Geopolymer）作为一种碱激发铝硅酸盐胶凝材料，其水化产物比普通硅酸盐水泥更致密，能与RA形成更强的界面结合，由此形成的地质聚合物再生骨料混凝土（Geopolymer Recycled Aggregate Concrete, GRAC）具有更高的抗压强度和更密实的微观结构，但脆性也更显著。已有研究表明，地质聚合物与钢纤维（Steel Fiber, SF）间良好的界面粘结可实现高效应力传递和优异的裂纹桥接行为，使SF成为提升混凝土韧性的有效增强材料。因此，将SF引入GRAC发展钢纤维增强地质聚合物再生骨料混凝土（Steel Fiber-Reinforced Geopolymer Recycled Aggregate Concrete, SFR-GRAC），有望同时改善力学性能和资源利用效率。

尽管前人分别研究了RA和SF对地质聚合物混凝土高温性能的影响，但对SFR-GRAC火灾后力学性能的系统试验与理论认识仍相对匮乏。RA和SF共同作用下SFR-GRAC热致性能退化的确切机制尚未完全阐明，现有预测模型也极少同时考虑SF、RA和温度的综合效应，限制了其在预测SFR-GRAC多样化残余承载力方面的适用性。为此，本研究系统评估了SF体积分数（0%、0.5%、1.0%、1.5%）、RA替代率（0%、25%、50%、75%、100%）和暴露温度（20 °C、200 °C、400 °C、600 °C、800 °C）对SFR-GRAC残余力学性能的影响，并通过微观结构分析揭示退化机制，建立残余力学性能预测模型，为其可靠的结构设计提供基础依据和实证框架。

二、研究方法概述

研究人员共设计了9种配合比的SFR-GRAC，采用单因素轮换法确定变量，试件编号遵循“S_xxRA_yy”格式。制备了270个100 mm立方体和270个100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件，标准养护28天后置于程控电炉中以3 °C/min升温至目标温度并恒温3小时以确保均匀受热，随后自然冷却至室温。力学测试包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，均按中国标准GB/T 50081-2019执行。微观表征方面，采用X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）分析水化产物物相演变，利用扫描电子显微镜（SEM）观察集料-基体及SF-基体ITZ形貌并结合能谱分析（EDS）测定元素组成，运用压汞法（MIP）表征孔隙结构特征。

三、主要研究结果

3.1 水化产物分析

XRD结果显示，常温下主要水化产物为CaCO₃和铝硅酸盐凝胶（C-S-H、C-A-S-H、N-A-S-H）。200–600 °C范围内凝胶弥散峰逐渐减弱，CaCO₃衍射峰无明显衰减。800 °C时凝胶峰完全消失，新生成了钙镁黄长石（Ca₂MgSi₂O₇）、钙铝黄长石（Ca₂Al(AlSiO₇)）和霞石（NaAlSiO₄）等晶相，表明非晶态铝硅酸盐凝胶发生结晶，严重破坏了原始凝胶网络的胶结作用；同时CaCO₃衍射峰完全消失。TGA-DTG曲线证实了自由水蒸发（85–100 °C）、凝胶脱羟基（450–500 °C）、凝胶分解（500–700 °C）及CaCO₃分解（780–800 °C）等多阶段失重事件。

3.2 微观结构

SEM观察发现，常温下天然骨料（NA）-基体ITZ因壁效应和微泌水而较疏松，RA-基体ITZ中存在大量絮状C-A-S-H/N-A-S-H凝胶，但整体界面质量劣于NA-基体ITZ。200 °C时，RA的高吸水特性促进水分蒸发引发微裂纹，但持续的地质聚合反应部分补偿了损伤。400–600 °C时，基体脱水收缩与集料持续膨胀之间的热变形不匹配导致ITZ处产生大量微裂纹，是性能渐进劣化的根本原因；EDS显示Na含量随温度升高下降，指示N-A-S-H凝胶脱水与结构破坏。800 °C时，ITZ界面裂缝显著扩展，基体内出现蜂窝状形貌，絮状凝胶产物完全消失，Si/Al摩尔比骤降至1.84，表明凝胶网络发生深刻组成与结构转变。

SF-基体ITZ方面，常温下SF与基体粘结紧密但界面附近存在微裂纹和孔隙。200 °C时，水分蒸发诱发界面收缩裂纹。400–600 °C时，SF表面氧化层增厚导致锚固力减弱，热应力集中引发局部脱粘和微裂纹萌生。800 °C时，SF氧化层显著增厚，纤维强度和延性几乎完全丧失，端钩可轻易拉直而无机械互锁力，SF-基体间出现宏观间隙和严重脱粘，纤维增强效应近乎完全消失。

3.3 孔径与孔隙率

MIP测试表明，随温度升高，地质聚合物基体孔隙结构呈粗化趋势：最可几孔径从20 °C时的6.94 nm逐渐增大至800 °C时的196.67 nm。总孔隙率由20 °C的4.27%增至800 °C的18.86%。孔径分布演变表现为：20 °C时以凝胶孔（<10 nm）为主（占34.19%）；200 °C时过渡孔（10–100 nm）成为主导（占50.25%），大孔比例显著上升至21.95%；400–600 °C期间过渡孔仍占主导，大孔比例继续增加；800 °C时主导孔型转变为毛细孔（100–1000 nm），占总体积的70.04%，凝胶孔完全消失，这与黏性烧结导致凝胶孔塌陷合并有关。

3.4 宏观力学性能

表面形貌变化：20–400 °C时试件表面无明显变化；600–800 °C时出现宏观开裂，主要由基体内水汽蒸发产生的内压和拉应力所致。

质量损失：所有试件质量损失率随温度升高的趋势相似，但在超过400 °C后，不含RA的S10RA00试件因SF氧化增重部分抵消了基体质量损失而表现出更小的质量损失。含1% SF的试件中，质量损失率随RA替代率升高而逐渐增大，源于RA表面残留砂浆吸附更多水分，加热时更易脱水分解。

压缩破坏形态：热暴露加剧破坏，无SF试件呈现典型脆性拉伸破坏（近竖向裂缝）；掺入SF后破坏模式转为对角斜裂缝（剪切破坏），且随SF含量增加试件完整性显著改善，归因于纤维桥接作用。改变RA替代率对宏观破坏形态无明显影响。

抗压强度：SF掺入可提升抗压强度，0.5%、1.0%、1.5% SF分别使立方体强度平均提高6.21%、7.83%、15.41%，轴压强度分别提高16.6%、23.7%、39.1%。RA替代率升高则持续降低抗压强度，100% RA替代使立方体强度降低25.02%，轴压强度降低28.67%。随温度升高，抗压强度呈三阶段递减：20–200 °C缓慢下降（残余立方体强度84.95%）；200–600 °C降解速率加快（600 °C时残余立方体强度68.10%）；600–800 °C急剧下降（800 °C时残余立方体强度13.92%）。

劈裂抗拉强度：SF对抗拉的增强效果优于抗压，0.5%、1.0%、1.5% SF分别使劈拉强度平均提高23.46%、29.01%、48.51%。RA替代率升高持续降低劈拉强度，100% RA时降低27.29%。随温度升高，20–600 °C降解相对平缓（600 °C时残余强度54.01%），800 °C时急剧降至14.31%。

弹性模量：SF掺入显著提升弹性模量，0.5%、1.0%、1.5% SF分别使其提高9.08%、24.35%、39.27%。RA替代率升高大幅降低弹性模量，100% RA时降低38.59%。弹性模量对高温的敏感性高于强度，呈两阶段退化：20–200 °C快速降至48.68%；200–800 °C减速进一步降至0.94%（800 °C）。

四、讨论与结论

研究人员将SFR-GRAC的高温演化机制划分为三个阶段（20–200 °C、200–600 °C、600–800 °C）。20–200 °C阶段：自由水蒸发产生蒸汽压力促进微裂纹萌生，但未反应矿粉的持续地质聚合反应部分补偿热损伤。200–600 °C阶段：基体与集料/纤维间的热变形不匹配加剧裂纹扩展，铝硅酸盐凝胶脱羟基弱化凝胶网络，SF表面氧化削弱界面摩擦与锚固，力学性能显著下降。600–800 °C阶段：凝胶结晶为钙镁黄长石、钙铝黄长石和霞石，失去胶结能力；CaCO₃分解；SF严重氧化丧失强度与延性，纤维-基体广泛脱粘使增强效应几乎消失；旧砂浆严重开裂分解，RA-基体ITZ完整性遭严重破坏，力学性能急剧恶化。

研究结论：可见表面开裂始于600–800 °C，主要由水汽蒸发引起。对于不含RA的试件，掺入1.0% SF可降低400 °C以上表观质量损失，因纤维氧化增重部分抵消基体质量损失。热暴露加剧试件破坏，而SF掺入改善试件完整性并将压缩破坏模式从拉伸破坏转变为剪切破坏，RA影响有限。经历200–800 °C后，试件的残余立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量分别保留了室温值的13.92%–84.95%、3.93%–73.69%、14.31%–91.57%和0.94%–48.68%。SF掺入增强了这些力学性能，而RA表现出不利影响。微观结构分析揭示了ITZ的逐步劣化和孔隙结构粗化，伴随800 °C下铝硅酸盐凝胶的结晶。基于本研究及文献试验结果，研究人员建立了考虑RA、SF和暴露温度参数影响的残余力学性能指标预测模型。