基于声发射技术的沙漠砂混凝土冻融损伤特性

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Freeze-thaw damage characteristics of desert sand concrete based on acoustic emission technique

　　

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  研究了硫酸盐溶液的质量分数、F-T循环次数以及沙漠砂替代率对DSC力学性能和声发射特征参数的影响。
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  基于声发射累积环数，建立了硫酸盐F-T循环后DSC的压缩损伤模型。
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  40%的沙漠砂替代率能够提升DSC的抗冻性。

引言

混凝土在建筑工程中得到广泛应用。作为混凝土的重要组成部分，沙子的全球年消耗量约为32–50亿吨[1]，这一数量已无法满足日益增长的建筑用沙需求[2]。中国西北地区拥有丰富的沙漠砂资源，总面积约70万平方公里。为保护当地环境并高效利用这些沙漠砂资源，有必要在工程中部分使用沙漠砂制作沙漠砂混凝土，从而降低工程成本，同时符合低碳可持续发展的要求。

与普通混凝土相比，沙漠砂混凝土具有更优异的性能，包括更高的强度、更好的耐高温性、更好的可操作性以及更强的耐久性[3]、[4]、[5]、[6]。为将沙漠砂用于土木工程中的砂浆和混凝土，张[7]研究了沙漠砂混凝土的性能，发现加入沙漠砂可以提高其可操作性并增强强度。当沙漠砂替代率达到40%时，DSC的宏观性能达到最佳状态[8]、[9]。蔡[10]指出，适量添加沙漠砂可以优化界面微观结构。

中国西北地区的土壤和地下水中含有较高浓度的SO₄^2-和Cl^-离子[11]，此外由于昼夜温差极大，这些地区还会经历冻融循环[12]。在这样的环境下，水化钙硅酸盐凝胶中的Ca²⁺和Al³⁺会与SO₄^2-离子发生反应，从而导致其微观力学性能下降[13]、[14]。此外，人们也研究了F-T循环后DSC的疲劳特性和耐久性[15]。研究表明，适当添加沙漠砂可以延长DSC的平均疲劳寿命。李[16]使用沙漠砂制备了DSC，并研究了沙漠砂替代率对耐久性的影响。结果发现，提高沙漠砂替代率能提升DSC的疲劳寿命和抗冻性[17]。另外，硫酸盐溶液浓度的增加会加剧DSC的劣化，其严重程度排序为：5% Na₂SO₄和3.5% NaCl > 10% Na₂SO₄ > 5% Na₂SO₄。这些环境因素的共同作用使得DSC容易受到物理和化学侵蚀，从而缩短其使用寿命。尽管已有大量研究探讨了单一环境条件下DSC的性能，但关于硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下的破坏机制及损伤演化过程仍不明确，这限制了DSC在寒冷和盐碱地区的广泛应用。

虽然传统的力学性能测试能够表征DSC的力学行为和破坏模式，但要有效监测内部微裂纹的发展仍然较为困难。声发射技术能够实时监测受载状态下微裂纹的扩展情况，已被广泛应用于大型结构损伤监测[20]、破坏机制分析[21]、裂纹源定位[22]以及损伤程度量化[23]。白等人[24]利用声发射技术研究了湿干循环和硫酸盐F-T循环后碳纤维增强再生混凝土在单轴压缩过程中的微裂纹演化规律。基于声发射参数与力学行为的同步监测结果，他们建立了再生粗骨料混凝土的损伤演化模型[25]。

已有众多研究关注混凝土的耐久性和声发射特性，但关于单轴压缩状态下DSC的声发射信号与其力学性能之间关系的研究相对较少。本研究对经过硫酸盐F-T循环后的DSC进行了单轴压缩试验和声发射试验，分析了沙漠砂替代率、Na₂SO₄溶液浓度以及F-T循环次数对DSC抗冻性和应力-应变性能的影响。研究采用了RA–AF方法来分析裂纹的发展情况。通过将声发射环数数据与应力-应变曲线相结合，建立了F-T循环后DSC的损伤模型。此外，还利用核磁共振技术分析了DSC的孔隙特征，为DSC在寒冷地区的工程应用提供了理论依据和实践指导。

章节摘要

原材料

本研究使用了细度为4.7%、标准稠度用水量为28%的P.O. 42.5 R普通波特兰水泥（赛马牌）。粗骨料为当地采石场出产的连续级配碎石，其粒径范围为5–20毫米。细骨料则是由中国穆乌斯沙地出产的沙漠砂与本地生产的机制砂按一定比例混合而成的。这些骨料的主要物理性质如表1所示。沙漠砂

质量损失率

DSC在硫酸盐F-T循环作用后的质量变化是由于表面剥落以及内部的物理化学反应所致[³⁰]，这一变化可通过质量损失率来定量描述：$$其中$$表示质量损失率（%），$$表示F-T循环的次数，而$$和$$分别表示F-T循环前后DSC试样的质量（单位：千克）。

随着F-T循环次数的增加，质量损失率起初下降，随后又上升（见图4）。在最初的50

结论

• (1)
  适量添加沙漠砂能够提升DSC的强度、抗冻性和密实度，进而增加其声发射环数、峰值应力以及相对弹性模量。而F-T循环则会降低峰值应力与声发射环数，其中在7%硫酸盐溶液环境下的劣化最为严重。
• (2)
  在加载过程中，Ib值会出现波动变化。随着F-T循环次数和硫酸盐溶液浓度的增加，峰值Ib值逐渐下降。

作者贡献说明

董书波：数据整理。 车佳玲：结果验证。 刘海峰：资金筹集、研究构思。 徐文静：文章撰写与修改、初稿编写。 刘浩天：研究方法设计、实验开展、数据分析。 Chin Siew Choo：项目指导。 Doh Shu Ing：项目指导

未引用参考文献

[30]、[57]、[58]。

利益冲突声明

提交本论文时不存在任何利益冲突。

数据可用性

数据可根据需求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

衷心感谢中国国家自然科学基金（编号：52168034、51368048、11162015）、宁夏科学基金会（编号：2026AAC020022）、宁夏大学的研究生创新计划（编号：CXXM2025049、CXXM2025045）以及宁夏高校一流学科建设项目（水利工程学科，编号：NXYLXK 2021A03）的大力支持。

刘浩天|徐文静|刘海峰|车佳玲|董书波|Doh Shu Ing|Chin Siew Choo