关于硬化粘结剂浆体微观结构特性和拉伸失效机制的新见解：将微CT技术与动力学理论相结合

《Composites Communications》：Novel Insights into Microstructural Characteristics and Tensile Failure Mechanisms in Hardened Binder Paste: Integrating Micro-CT with Peridynamics

硬化水泥浆体微结构-力学性能关联机制研究通过高分辨率微CT三维重构结合改进配体基础拟态模型，揭示了孔隙形态对断裂演化的主导作用。实验表明，真实多相微结构体系的弹性模量（26.39 GPa）、抗拉强度（66.1 MPa）和断裂能（6.34 J/m2）显著高于等效球状孔隙模型（强度降低50.2%）。通过9组独立样本验证的损伤量化指标（断裂键比例）证实，孔隙拓扑特征（直径0.486-9.2 μm，峰值0.9845 μm）与界面力学行为共同决定了准脆性断裂路径演化规律。

　　

邱群良|田阳|陈轩东

桂林理工大学物理与电子信息工程学院，中国桂林541004

摘要

硬化粘结剂浆体的微观结构决定了其宏观力学性能。本研究结合了高分辨率原位微CT观测和改进的基于键的周动力学（PD）模型，来研究单轴拉伸载荷下的损伤演化机制。从真实的CT图像中重建了由孔隙、高/低密度水化产物和未水化粘结剂颗粒组成的多相微观结构，并开发了相应的多组分PD模型。结果表明，硬化粘结剂浆体表现出典型的准脆性断裂行为，平均弹性模量为26.39 GPa，极限抗拉强度为66.1 MPa，断裂能为6.34 J/m²。力学性能与孔隙形态显著相关：等效球形孔隙模型的抗拉强度仅为真实结构的49.8%，这证实了孔隙几何形状的不可忽视的影响。通过PD中的断裂键比例可以定量表征损伤进展，这一发现通过九个独立试样的模拟得到了验证。本研究阐明了硬化粘结剂浆体的拉伸失效机制，并为水泥基材料的多尺度力学建模提供了理论基础。

引言

作为全球使用最广泛的建筑材料之一，混凝土在海洋工程、城市建设和道路基础设施中发挥着不可或缺的作用。作为一种典型的多相复合材料，混凝土由骨料、水泥浆体和孔隙组成，其中水泥浆体起粘结作用（Dai等人，2024；邱等人，2023）。水泥浆体的微观力学性能和失效机制显著影响混凝土的宏观行为（Murr等人，2024；张等人，2025a）。因此，对硬化水泥浆体的微观结构和力学响应进行基础研究对于理解混凝土宏观性能的形成机制至关重要。

过去几十年来，研究工作主要集中在厘米和毫米尺度上对硬化水泥浆体的力学性能进行实验研究，这些测试程序相对简单（Badika等人，2024；Cai等人，2022）。然而，在微米及更小尺度上的实验和表征技术方面仍存在显著差距。随着计算建模的迅速发展，研究人员开始研究微尺度上硬化水泥浆体物理行为的模拟和预测（Gan等人，2021；Kim等人，2024）。例如，Liu等人（Liu等人，2020；Liu和Zhang，2022）基于D.P. Bentz等人（Bentz，2000；Bentz等人，2000）提出的CEMHYD3D模型，开发了一个100 μm × 100 μm × 100 μm的代表体积元素（RVE），并利用格子Boltzmann方法研究了硬化水泥浆体中的氯离子扩散。他们的工作强调了孔隙水饱和度和界面过渡区（ITZ）对氯离子传输的影响。同样，Tong等人（Tong等人，2024，2025）进行了从纳米到微米的多尺度模拟，引入了诸如曲折度和连通性等参数来评估传输性能。值得注意的是，他们的微尺度水泥浆体微观结构是基于Van Breugel等人（van Breugel，1995）和Ye等人（Zhang等人，2013）开发的HYMOSTRUC3D模型得出的。此外，Liu等人（Liu等人，2016）开发了一个多尺度框架，将多步骤数字化算法与3D格子断裂模型相结合，用于模拟水泥基材料中的收缩引起的微裂纹。该模型通过自由收缩实验得到了验证，量化了水灰比、水化龄和边界约束的影响。Zhang等人（Gu等人，2023；Li等人，2022b）应用周动力学（PD）模拟了单轴拉伸和冻融条件下的断裂行为，阐明了裂纹演化机制。在他们的研究中，微观结构基于Shashank Bishnoi等人（Bishnoi和Scrivener，2009）提出的μic模型。

尽管这些数值模型（例如CEMHYD3D、HYMOSTRUC3D和μic）具有优势，但它们也存在固有的局限性。具体来说，CEMHYD3D忽略了水化热力学/动力学，而HYMOSTRUC3D无法准确表示C-S-H凝胶的形态（Thomas等人，2011），导致模拟微观结构与实际微观结构之间存在显著偏差。为了克服这些局限性，本研究利用真实的硬化水泥浆体微观结构系统地分析了孔隙分布特征和微观力学行为。

最近，X射线计算机断层扫描（CT）技术的进步为表征混凝土的真实三维（3D）微观结构提供了新的方法（Han等人，2023；Kim等人，2022）。从材料科学的角度来看，混凝土表现出显著的多尺度和异质性特征：在微观尺度上，水化产物和未水化矿物随机排列，形成复杂的毛细孔网络。在中观尺度上，形状不规则的骨料颗粒嵌入水泥基质中，在骨料-基质界面形成界面过渡区（ITZ），该区域的力学性能较差（Huang等人，2022，2025）。S. Shirani等人（Shirani等人，2023，2024）使用CT技术成功获得了硬化水泥浆体的三维微观结构，并通过全局阈值化和随机森林方法实现了精确的分割。与Rietveld定量相分析相比，他们的方法对未水化水泥相的分割误差仅为2%，显示出其在分析复杂水泥基材料方面的巨大潜力。Zhang等人（Zhang等人，2018，2019）通过切片、抛光、微切片和CT扫描相结合的方法成功重建了100 μm³的硬化水泥浆体微观结构，并进一步进行了微观力学测试，以研究外部载荷下的断裂行为，建立了力学参数的统计分布模型。Gan等人（Gan等人，2022）采用类似的方法研究了疲劳载荷下硬化水泥浆体中的微裂纹扩展。这些研究共同证实了CT技术能够有效捕捉水泥浆体的真实微观结构。

周动力学（Peridynamics）是由Silling（Silling 2000a；Silling等人，2007）在2000年提出的一种新兴数值计算方法。与传统经典力学不同，在周动力学中，解域被离散为具有体积和质量的有限材料点。材料点之间的相互作用通过连接它们的“键”传递。当键的伸长超过临界拉伸比时，键断裂并失去传递相互作用力的能力，从而形成局部微裂纹。随后，许多学者修订和发展了Silling的周动力学理论框架，并已广泛应用于准脆性材料的数值模拟（Silling 2017；Zhang等人，2025b；Zhou等人，2018；Zhu和Ni，2017）。例如，Chen等人（Chen等人，2021）使用周动力学方法模拟了金属材料中腐蚀诱导应力裂纹的起始和扩展，以及介质侵蚀和钢筋腐蚀导致的覆盖裂纹。他们的研究表明，周动力学方法可以有效捕捉材料在应力下的裂纹扩展过程，避免了经典断裂力学中的不连续性问题。此外，Qiao等人（Qiao等人，2025；Yang等人，2022）使用周动力学模拟了混凝土材料的失效和土壤的干燥裂纹。Ma等人（Ma等人，2020，2024）考虑了轨枕对钢轨的支撑作用和车轮载荷的移动作用，基于“剩余键寿命”理论开发了轮轨接触区的疲劳损伤模型。他们分析了摩擦系数和表面粗糙度等因素对疲劳裂纹起始和扩展的影响。

本研究旨在通过结合原位微CT观测和改进的PD数值模拟的综合方法，阐明机械载荷下硬化粘结剂浆体微观结构中的损伤演化机制。具体来说，将使用高分辨率微CT（0.7 μm分辨率）重建三维（3D）多相微观结构系统（包括孔隙、高/低密度水化产物和未水化颗粒），并通过先进的图像处理技术对孔隙拓扑特征进行定量表征。随后，将开发一个改进的基于键的PD数值模型，考虑多相组分之间的界面效应，以研究单轴拉伸载荷下的微观结构损伤的起始和扩展，从而阐明孔隙形态对裂纹路径演化的影响。最终，本研究将为硬化粘结剂浆体建立一个基于微观结构的本构模型，为水泥基材料的性能优化提供基本的理论见解。

部分摘录

粘结剂浆体试样

本研究使用42.5级普通波特兰水泥（OPC）作为主要粘结剂，并添加了一级粉煤灰（FA）和S95级粒化高炉矿渣（GGBS）作为矿物掺合料。表1详细列出了水泥基材料的化学成分，包括主要氧化物（SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等），而表2则展示了精确的混合设计参数（水灰比、补充材料的替代比例等）。

微CT分析准备

为了满足

3D微观结构重建

X射线微CT中的相位对比机制能够清晰地可视化粘结剂浆体中的三相组成（图3(a)）：水化产物、未水化熟料和孔隙网络。X射线衰减系数的显著差异导致了灰度变化，其中孔隙的吸收最低，其次是水化产物，未水化熟料的衰减最高。这种相位区分通过灰度曲线得到了定量验证（图3

改进的基于键的周动力学模型

周动力学（PD）由Silling在2000年提出，是一种开创性的非局部连续介质力学理论（Silling 2000b，2003；Silling和Askari 2005）。与基于局部作用假设的经典连续介质力学不同，PD理论将域离散为具有质量和体积的材料点集合，每个材料点x通过键力密度本构关系与其视野内的相邻点x'进行非局部相互作用。

孔结构分布特征

通过流域分割获得的硬化粘结剂浆体的孔径分布如图9所示。结果表明，孔径主要介于0.486 μm和9.2 μm之间，由于CT分辨率的限制，小于0.486 μm的孔隙无法检测到。概率密度曲线中的峰值孔径为0.9845 μm。可以使用Rayleigh-Ritz（R-R）分布模型通过叠加重建硬化粘结剂浆体的全尺度孔结构。

结论

本研究结合了高分辨率原位微CT观测和改进的基于键的周动力学（PD）方法，研究了硬化粘结剂浆体在单轴拉伸下的损伤演化机制，并分析了孔隙形态对其力学性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  基于真实的微CT图像，可以有效地重建硬化粘结剂浆体的三维（3D）多相微观结构。当使用PD进行模拟时

CRediT作者贡献声明

邱群良：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，形式分析，数据管理，概念化。陈轩东：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。田阳：软件，方法论，数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（编号12172121）和广西青年科学家基金（资助编号2025GXNSFBA069153）的财政支持。