基于 WFM、SEM 和 BEM 方法的碱类型和浓度对碱激发矿渣混凝土断裂参数及脆性的影响：实验与预测

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Influence of alkali type and concentration on fracture parameters and brittleness of alkali-activated slag concrete by means of WFM, SEM and BEM methods: Experiments and predictions

　　

•碱浓度和碱类型对碱激发矿渣混凝土的力学性能和断裂特征均有显著影响。
•随着碱浓度的增加，AAS 混凝土的断裂能增强，但在高碱浓度下，所有配合比均观察到断裂能略有下降。
•在相同碱浓度下，与 KOH 相比，使用 NaOH 碱与 Na2SiO3 组合制成的 AAS 混凝土具有更好的力学和断裂性能。
•AAS 混凝土的断裂性能是通过三种不同方法获得的。
引言
当今世界面临的重大挑战之一是二氧化碳（CO2）排放量巨大，其对全球变暖和气候变化过程具有破坏性影响。由于作为温室气体，CO2 是主要的大气污染物之一，也是最严重的气候污染物 [1], [2], [3], [4], [5]。根据全球统计数据，2016 年，全球总 CO2 产量中约有 8% 源于普通硅酸盐水泥（OPC）的生产和利用，且每年都在增加（到 2050 年预计为每年 3.68–4.38 Gt）[6]。每吨水泥的生产和消费会向大气中释放约 0.95 吨 CO2 [7]。此外，水泥生产过程在世界能耗中排名第三，约占全球工业能源消耗的 5%（通常来自燃料油和电力）[1], [8]。

由于 OPC 存在环境问题，研究人员建议应用辅助胶凝材料（如粒化高炉矿渣 GGBFS）或生产特种水泥（如铝酸钙水泥、超硫酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和矿渣水泥）[9], [10], [11], [12]。然而，使用这些材料仅将 CO2 排放量减少了约 17%，而使用碱激发矿渣（AAS）混凝土可将 CO2 排放量减少约 75% [13]。AAS 混凝土的应用基于 Davidovits 的理论，他提出碱溶液可以与铝硅酸盐材料中存在的硅发生反应形成胶凝材料 [14]。该反应类型为地质聚合反应，此类混凝土使用的基材可以是天然的，如偏高岭土 [15]、沸石、火山渣 [16], [17]、天然火山灰 [18]，也可以是副产品，如 GGBFS [6], [19], [20]、硅灰和稻壳灰 [21], [22]。既往研究结果表明，粉煤灰和 GGBFS 具有作为地质聚合物混凝土（GPC）基材的最高潜力 [23]。近年来，AAS 混凝土的发展引起了关注。使用 GGBFS 形成的主要产物是钙铝硅酸盐凝胶（C-A-S-H），而使用粉煤灰生成的重要反应产物是钠铝硅酸盐凝胶（N-A-S-H）[20]。GGBFS 具有高浓度的氧化钙（CaO），这在化学上使其与普通硅酸盐水泥非常相似。与从水泥水化中产生的氢氧化钙（Ca(OH)2）反应的火山灰不同，GGBFS 将 Ca(OH)2 用作催化剂 [9]。GGBFS 在水存在下的反应与水泥相似，但不产生 Ca(OH)2。如果用高 pH 值的碱性溶液激发，这种材料可以成为一种良好的胶凝材料。GGBFS 的全球年产量估计约为 3.2 亿吨 [24]。既往调查结果表明，在 AAS 混凝土中应用被称为水玻璃的硅酸钠，并结合氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）等碱性氢氧化物，与其他激发溶液相比，可提供最高的抗压强度 [21], [25]。与 OPC 混凝土相比，AAS 混凝土具有高抗压强度和耐久性、低水化温度、高抗氯离子渗透和化学侵蚀能力以及足够的抗冻融性 [26], [27], [28], [29]。为了扩大 AAS 混凝土的使用，了解其特性非常重要。影响 AAS 混凝土力学和结构性能的主要因素包括 GGBFS 的化学成分、养护周期和温度、碱溶液与矿渣的比例、碱激发剂的浓度和类型及其比例、混凝土龄期、水矿比和矿渣用量 [20], [27], [30]。在配合比设计中，同时考虑新拌混凝土的特性（凝结时间和工作性）和硬化混凝土的特性（力学和结构性能）非常重要。在这方面，既往调查建议碱浓度在 3.5 到 7.5% 之间，硅酸盐模数（Ms）在 0.45 到 1.05 之间 [27]。研究人员得出结论，随着碱浓度的增加，由于水化程度的提高，抗压强度增加，但高碱浓度会削弱胶凝材料的结构 [26], [27]。

Nasir 等人 [31] 研究了碱性激发剂 NaOHaq (NH) (NH: 0–16 M) 和 Na2SiO3aq (NS) (NS/NH: 0–3.5) 对硅锰粉（SMF）、粒化高炉矿渣（BFS）和复合碱激发砂浆（AASB）合成的影响。他们报告称，单独使用每种激发剂不足以获得具有足够硬化和新拌特性的 AASB，而同时使用两种激发剂会产生协同效应。使用混合激发剂（10 M NH 和 NS/NH = 2.5）可获得最佳性能，28 天抗压强度约为 45 MPa，初凝时间为 60 分钟，流动直径为 182 毫米。

Moodi 等人 [32] 研究了掺入硅灰（SF）作为无机添加剂的碱激发矿渣修补砂浆的力学特性，重点关注其在冻融和盐霜暴露下的性能。结果表明，碱激发矿渣修补砂浆具有更高的抗压强度和抗粘附性。此外，与基于水泥的修补砂浆相比，这些砂浆在抗冻融循环和盐霜方面的耐久性至少提高了 30%。尽管几项研究考察了碱性溶液激发的 AAS 混凝土的力学和物理性能，但其断裂行为受到的关注相对较少。

断裂力学用于研究裂缝的产生和发展。此外，它利用能量和韧性等定量参数研究开裂结构在荷载下的响应。迄今为止，混凝土结构设计经历了两次革命，即弹性无张力分析和塑性极限理论。根据许多调查，由于裂缝的性质和混凝土的脆性，在这些结构设计中采用断裂参数可被视为第三次也是必要的革命 [5]。在现代断裂力学中，混凝土被视为准脆性材料。既往研究表明，混凝土试件在荷载 - 位移曲线的峰后区域表现出软化行为。这种软化行为取决于不同的因素，如骨料类型和尺寸、试件尺寸、配合比设计、混凝土强度和成熟度 [33]。混凝土的断裂参数取决于试件的几何形状和尺寸、加载条件、混凝土强度、混凝土软化函数和缺口长度的相对尺寸 [33]。Gettu 等人 [34] 得出结论，断裂韧性和断裂能取决于混凝土的抗压强度。Sarker 等人 [35] 指出，由于其更大的粘结强度和抗拉强度，GPC 的断裂模式比 OPC 混凝土更脆。此外，GPC 的临界应力强度因子超过了 OPC 混凝土。Nath 和 Sarker [36] 指出，GPC 和 OPC 混凝土试件表现出相似的荷载 - 位移行为。此外，基于粉煤灰的 GPC 可以获得与 OPC 混凝土相似的断裂特征。Ding 等人 [37] 指出，在相同抗压强度下，AAS 混凝土表现出比 OPC 混凝土更高的断裂能。此外，AAS 混凝土的特征长度（Lch）低于 OPC 混凝土，表明 AAS 混凝土更脆。在一项研究中，Mousavinejad 和 Gashti [33] 研究了碱溶液与胶凝材料比例（Al/Bi）和 Na2SiO3 与 NaOH 溶液比例（SS/SH）对重质地质聚合物混凝土断裂特征的影响。结果表明，通过将 Al/Bi 从 0.65 增加到 0.85，断裂能和断裂韧性降低，而延展性增强。此外，当 SS/SH 为 0.5 时达到最大断裂能。Nabavian 等人 [38] 使用边界元法（BEM）研究了掺入不同量纳米二氧化硅的再生骨料混凝土的断裂性能。他们表明，添加纳米二氧化硅减少了参考裂缝长度，并增强了韧性和初始断裂能。他们的研究突出了 BEM 在分析断裂特征和创建预测模型方面的有效性。

最近的调查越来越多地关注碱激发矿渣和地质聚合物混凝土的断裂行为。这些研究表明，前体成分、养护制度、纤维掺入和激发剂化学性质等参数显著影响裂缝扩展、断裂能和断裂韧性 [39], [40], [41]。然而，大多数现有研究一次只调查一个控制参数，而碱激发剂类型和碱浓度对断裂行为的耦合影响在很大程度上仍未被探索。此外，很少有关于使用不同标准化断裂分析方法进行对比评估的报道。因此，目前仍缺乏对不同碱系统下断裂参数的全面评估，这激发了本研究。

Yang 等人 [41] 研究了碱激发矿渣/粉煤灰轻骨料混凝土的断裂性能。考虑到材料的异质性和裂缝扩展的不均匀性，提出了一种基于边界效应模型（BEM）的分析模型，以获得来自 AALC 的无量纲断裂参数（如抗拉强度 ft 和脆性 KIC），并用于评估断裂性能。基于提出的模型，利用确定的 ft 和 KIC 分析了轻骨料不同饱和度（45.45%、78.45%、87.93% 和 96.89%）对 AALC 断裂抗力的影响。结果表明，骨料预湿降低了 28 天的 ft 和 KIC，但这些降低幅度不超过 15%。在轻混凝土预湿的样本中，总饱和度为 87.93% 的样本具有最佳的断裂行为。尽管 Ding 等人 [37] 提供了关于 AAS 混凝土与 OPC 混凝土相比断裂行为的重要见解，但他们的调查主要确立了这两种胶凝材料系统之间的总体差异。然而，控制 AAS 混凝土内部断裂演化的内在因素，特别是碱阳离子类型和碱浓度的耦合效应，仍未得到充分理解。

本研究通过评估不同浓度的 NaOH 和 KOH 激发剂如何影响断裂能、断裂韧性、断裂过程区特征和脆性，扩展了这一框架。此外，通过结合 WFM、SEM 和 BEM 分析，本研究提供了对断裂行为的多角度评估，而不是依赖单一的断裂参数。因此，在本文中，探讨了已被证明是影响 AAS 混凝土抗压强度的主要因素的碱类型和浓度 [20], [27], [42] 对 AAS 混凝土断裂特征的影响。由于波特兰水泥生产过程中的高能耗和 OPC 混凝土中的 CO2 产生引起的环境关注以及向可持续发展迈进，AAS 混凝土的使用引起了其他研究者的兴趣。另一方面，向 AAS 混凝土中添加不同种类和浓度的碱可以改变其开裂性能和断裂参数。考虑了两种类型的碱，包括 KOH 和 NaOH，具有四种浓度（4.5、5.5、6.5 和 7.5%）。为了实现这一目标，使用受控测试装置对 315 根带缺口梁进行了三点弯曲试验（TPBT），随后根据 RILEM 标准 [43], [44] 通过三种方法评估断裂参数，即断裂功方法（WFM）、尺寸效应方法（SEM）和边界效应方法（BEM）。

除了量化断裂参数外，本研究旨在阐明碱激发剂类型和浓度影响 FPZ 发展和断裂抗力的机制。预期结果将为可持续混凝土构件结构设计中选择碱激发剂提供实用指导。本研究的创新之处在于全面评估碱激发剂类型和碱浓度对碱激发矿渣混凝土断裂行为的共同影响。与以往主要关注单一影响因素或采用单一断裂评估技术的研究不同，本工作在同一实验计划中对比应用了三种标准化断裂方法，即 WFM、SEM 和 BEM。

此外，利用当前的实验结果和文献报道的独立数据，开发并验证了主要断裂参数的预测模型，从而增强了所提出模型的可靠性和实际适用性。

章节摘要
方法介绍
到目前为止，已经提出了几种非线性断裂模型来预测水泥基材料的断裂性能。其中包括：KR 曲线模型、内聚裂纹模型、有效裂纹模型、裂纹带模型、双 G 断裂模型、双 K 断裂模型、双参数断裂模型和尺寸效应模型 [37]。本文使用了 SEM、WFM 和 BEM 三种实验方法。

材料
GGBFS 本研究中使用的 GGBFS 由伊朗伊斯法罕钢铁公司生产。表 1 显示了 GGBFS 的化学成分。所用 GGBFS 的比重、比表面积、45 μm (325 号) 筛余百分比、碱性系数 (kb) 和水化模数 (HM) 分别为 2.78 g/cm3、3312 cm2/g、82.4%、1 和 1.38。来自伊朗 Neka 水泥公司的 II 型水泥，其比表面积为 3035 cm2/g，比重为 3.02 g/cm3 以及百分比。

力学特性
表 5 展示了 AAS 混凝土样本的力学性能。如观察所见，含有 NaOH 碱性激发剂的 AAS 混凝土的 fc 在 56.4 到 66.7 MPa 之间变化。随着碱浓度 (n) 从 4.5% 增加到 6.5%，fc 增加了 18.26%，然后当 n = 7.5% 时，fc 下降了 5.7%。同样，含有 KOH 的 AAS 混凝土的 fc 在 49.3 到 61.8 MPa 之间。随着 n 从 4.5% 增加到 6.5%，fc 增加了 25.35%，然后当 n = 7.5% 时，fc

结论
在当前研究中，通过 WFM、SEM 和 BEM 方法考察了碱的类型和浓度对 AAS 混凝土断裂参数和脆性的影响。考虑了两种碱（包括 KOH 和 NaOH），浓度分别为 4.5%、5.5%、6.5% 和 7.5%。为了实现这一目标，通过受控测试设备对 315 根带缺口梁进行了 TPBTs。本调查的主要发现概述如下：
1. AAS 混凝土的断裂行为

CRediT 作者贡献声明
Mohammad Hasan Khalilpasha: 写作 – 初稿，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。
Alireza Mirzagoltabar Roshan: 写作 – 审查与编辑，可视化，验证，监督，项目管理，概念化。

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

Mohammad Hasan Khalilpasha|Alireza Mirzagoltabar Roshan