基于复掺水泥与废纤维素纤维的轻质聚合物-水泥砂浆高温损伤的冲击回波与计算机断层扫描联合评价

《Processes》：Lightweight Mortar Based on Blended Cement and Waste Cellulose Fibers Exposed to High Temperature

　　

本文介绍的研究聚焦于采用联合冲击回波（impact-echo, IE）与计算机断层扫描（computed tomography, CT）方法，分析经极端温度暴露后的轻质聚合物-水泥砂浆。为此，研究人员开发了基于复掺水泥和废纤维素纤维的轻质砂浆。该砂浆由聚合物-水泥基体（60%波特兰水泥、40%高炉矿渣和聚合物改性剂）与多孔骨料（粒径0–2 mm的膨胀黏土）组成，并包含其他少量组分（减水剂）和掺合料（硅灰）。研究人员分析了含两种废纤维素基分散增强材料（G-500T和G-700T）、掺量为0.5–1.5 kg/m³的砂浆。材料在28 d龄期经受20 °C（实验室条件存放）、600 °C、800 °C和1000 °C暴露后测试。除IE和CT外，研究结果还辅以基本物理与力学参数（强度、体积变化等）测试以及微观结构分析，特别是采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）检测微裂纹。CT与SEM旨在确认裂纹，尤其是微裂纹（包括其形态和出现区域），以及聚合物-水泥复合材料在高温应力过程中可能出现的异常。

研究背景方面，钢筋混凝土结构耐火性是建筑使用安全的关键内容，尤其对于人员密集、救援受限以及火灾扑救条件复杂的建筑，隧道等线性基础设施所用建筑材料需具备更高的高温抵抗能力。原文指出，交通事故引发火灾时温度可能超过1000 °C，表层截面受火影响最严重；混凝土板暴露于1000 °C时，距表面30 mm处约600 °C、60 mm处约400 °C，抗压强度约降低30%。水泥基复合材料在极端温度下的退化还受冷却方式（缓慢冷却与空气、水快速冷却）以及冻融、氯盐、硫酸盐、亚硫酸盐等环境因素协同作用影响。火灾后结构修复需要使用耐火性增强的修补材料，因此开发聚合物-水泥修补砂浆具有现实意义。与此同时，建筑材枓生产面临采用替代原料和降低能耗的压力，故该研究有意关注环境因素，将复掺水泥（波特兰水泥与高炉矿渣）、轻质骨料和废纤维素纤维结合。既有研究表明，高炉矿渣组成相对稳定并可改善复掺水泥基体耐极端温度性能；聚合物纤维对高温性能重要，可在热分解后形成通道，使水化硅酸钙（calcium silicate hydrate, CSH）分解产物如Ca(OH)₂、CaCO₃等及气体逸出，从而降低致密聚合物-水泥复合材料内部应力。已有研究者探索废料或副产物纤维替代方案。非破坏检测方面，IE在水泥复合材料检测中已有应用，可定位裂隙、裂缝、分层、不均匀性等；高温暴露会使砂浆共振频率向低频移动并降低信号幅值、增加噪声。CT近十年在建筑材料研究中发展较快，但多集中于致密混凝土、砂浆或水泥净浆，对含废纤维素纤维的轻质聚合物-水泥砂浆研究不足，将IE与CT联合用于该类材料高温行为评价也尚缺乏。因此，研究人员开发了基于复掺水泥和废纤维素纤维的轻质聚合物-水泥修补砂浆，并联合IE、CT、SEM和常规物理力学测试，分析其高温后性能与结构变化，评估非破坏检测组合的适用性；其意义在于为火灾损伤混凝土结构修复材料及高温损伤评估提供依据，并兼顾可持续性。

关键技术方法方面，研究样本为实验室制备的40×40×160 mm聚合物-水泥砂浆试件（每配方与温度组5件，共120件；不涉及人群或临床队列），原材料来源见原文所列厂商。采用复掺水泥-聚合物基体、膨胀黏土和两种废纤维素纤维进行配合比设计；28 d后按20、600、800、1000 °C程序热暴露（升温10 °C/min，目标温度保温90 min，约1 °C/min冷却）。以IE测定纵向共振频率f_L和弯曲频率f_F，并用快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）和连续小波变换（continuous wavelet transform, CWT）分析；以CT三维成像评价裂纹与缺陷，以SEM观察微观结构及纤维烧失通道，并测试体积密度、质量与体积变化、抗压和抗折强度。

研究结果中，3.1 物理与力学分析（Physical and Mechanical Analysis）：通过物理力学测试发现，热暴露后试件几乎无显著剥落或大量宽裂缝，800 °C和1000 °C时颜色由灰变米色，1000 °C出现局部少量宽约0.1 mm裂缝。硬化砂浆体积密度约1400 kg/m³，600 °C附近降低10–11%，1000 °C降低13–15%；质量和体积随温度升高而下降，与自由水逸出及CSH、CH、CaCO₃等分解有关。G5X体积变化最大约1.6%，G73在1000 °C约1.9%；未热暴露抗压强度31–35 N/mm²，1000 °C后降低约62–65%；抗折强度5.2–7.0 N/mm²，1000 °C后降低约56–66%。G52和G71在相应指标上表现较优，G73最不耐热且离散较大。3.2 IE分析：通过IE及FFT/CWT分析发现，所有试件共振频率向低频移动；参考试件f_L为9.6–10.1 kHz、幅值约5 mV；G-500T试件在1000 °C后f_L降至6.7–7.1 kHz；G-700T在800 °C为6.4–6.8 kHz、1000 °C为6.7–6.8 kHz。至800 °C，所有混合物f_L降低26–37%、动态弹性模量E_d降低52–64%；800–1000 °C间G-700T的E_d稳定或略增（?2%至+5%），归因于基体与膨胀黏土开始烧结，而G51、G52继续下降。试件水平f_L与残余抗折、抗压强度强相关（Pearson r分别为0.88和0.91），f_L组内变异系数中位1.3%，低于抗折12.3%和抗压5.0%。CWT显示退化G-500T试件出现多模态竞争，G72纵向模态在各温度下仍占主导。3.3 CT分析：通过CT三维成像发现，800 °C和1000 °C热应力材料裂纹缺陷比例最高；G52在800 °C裂纹较少但部分较宽，1000 °C裂纹更密；G53裂纹比例更高并常沿轻质骨料与基体边缘；G72在800 °C存在较宽连续裂纹及随机微裂纹网络，1000 °C缺陷范围稍大；G73缺陷最多，裂纹可穿过基体和骨料，并见较多骨料周围径向裂纹。3.4 微观结构—SEM（Microstructure—SEM）：通过SEM发现，未热暴露试件中纤维可锚固于基体；800 °C时G53纤维烧失通道壁存在0.5–1 μm微裂纹，G72通道壁较致密且仅高倍下见基体部分降解，G73通道表面有空洞缺陷；1000 °C后微观缺陷增多，通道与基体明显多孔，但多数情况下轻质骨料与聚合物-水泥基体间界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）仍较致密。

讨论部分总结：IE与常规破坏性强度测试结果高度对应，可识别热应力引起的结构多样性及材料稳定性差异；G7X在800–1000 °C的f_L较低并不必然表示总体性能更差，G5X虽初始和终值共振频率较高，但热应力下结构稳定性较差。CT结果与物理化学参数及IE结果对应良好，可确认裂纹和微裂纹形貌及分布；SEM说明废纤维素纤维分解形成通道，有利于气体逸出并限制内部压力积累，同时ITZ在多数情况下仍保持致密。纤维类型和掺量显著影响热应力下行为。

研究结论部分翻译如下：该研究聚焦于分析一种已开发的轻质聚合物-水泥修补砂浆，用于修复暴露于极端温度的钢筋混凝土结构。该砂浆含有由高炉矿渣和硅灰改性的复掺水泥基体、轻质（膨胀黏土）骨料、聚合物改性剂以及由废纤维素制成的纤维。除耐高温性外，材料设计还通过使用替代原料考虑了可持续性。在第一阶段，仅分析了砂浆的基本物理与力学参数，并以IE、CT和SEM辅助。实验结果证实，暴露于600、800和1000 °C导致所有研究性能逐渐退化；暴露于1000 °C后强度特性约降低62%至67%。废纤维素基纤维的类型和掺量对所开发砂浆在热应力下的行为有显著影响。就所达到的性能而言，G-500T纤维在1.0 kg/m³掺量下似乎最佳；相反，最高纤维含量（1.5 kg/m³）导致更大的结构不均匀性和更宽裂纹范围，这由IE与CT组合所证实。IE与CT的组合已被证明是识别暴露于极端温度的轻质聚合物-水泥砂浆中温度诱导结构变化的高效工具。暴露于800 °C后，所有混合物中纵向共振频率降低26%–37%，反映材料结构渐进退化；在800至1000 °C之间，G-700T混合物的动态弹性模量保持稳定或略增（?2%至+5%），归因于烧结开始，而G51和G52的动态弹性模量继续下降。在试件水平上，纵向共振频率与残余抗折和抗压强度强相关（Pearson r = 0.88和0.91），且该相关性在暴露于同一温度的试件之间仍显著；同时，组内f_L离散性显著较低（中位变异系数1.3%，抗折强度为12.3%、抗压强度为5.0%），证实该方法用于可靠评估火灾损伤水泥基复合材料的适用性。CT提供了内部损伤发展的补充信息，并证实随温度升高微裂纹和裂纹网络形成。SEM观察进一步表明，废纤维素纤维分解形成通道系统，使气态分解产物逸出并限制加热过程中内部压力积累；同时发现轻质骨料与聚合物-水泥基体之间ITZ在大多数情况下即使高温暴露后仍保持致密。研究结果证实，矿渣改性聚合物-水泥基体、轻质骨料和废纤维素纤维的组合是开发具有增强耐火性的修补砂浆的有前景方案；IE与CT作为互补非破坏性技术用于评估高温损伤水泥基复合材料的潜力也得到确认。未来研究应聚焦于评估使用替代原料显著改性的材料，一个选择是用agloporite（一种基于烧结粉煤灰的骨料）完全替代轻质骨料，其性能和行为的描述见?erny et al.；也可考虑使用更显著改性的复掺水泥，一个有意义的选项是在聚合物修复产品中使用经反硝化过程污染的粉煤灰，如Hodul et al.所分析。未来研究的下一阶段还将评估所有基本参数（实验室条件下和高温暴露后），特别是砂浆施涂于混凝土基材时的粘结强度，如Melichar et al.等所述；该参数非常重要，因为施涂于水泥基材上的砂浆行为会显著不同，并更能代表其在实际建筑中应用时的行为。从后续研究角度看，还必须验证长期耐久性，即极端温度与不利环境影响（CO₂、SO₂、冻融、Cl^?离子等）的协同效应。