钢纤维增强地质聚合物再生混凝土的断裂行为与失效机理：基于数字图像相关分析与介观模拟的见解

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Fracture behavior and failure mechanism of steel fiber reinforced geopolymer recycled concrete: Insight from digital image correlation and meso-simulation

　　• 本文系统地从多尺度角度研究了橡胶粉（RA）含量、钢纤维（SF）含量和长宽比对SFR-GRC断裂行为的影响。• 开发了一种介观尺度有限元模型，以揭示SFR-GRC的内部裂纹扩展和损伤演化机制。• RA引起的弱界面过渡区（ITZ）和附着的旧砂浆成为裂纹起始和聚合的优先路径。• 钢纤维桥接裂纹面，重新分布拉伸应力，并将脆性断裂转变为渐进性延性破坏。

引言
城市更新和基础设施建设持续增加了对混凝土的需求，而基于普通波特兰水泥（OPC）和天然骨料（NA）的传统混凝土生产仍然伴随着大量的资源消耗和二氧化碳排放[1]、[2]、[3]。为应对这些挑战，利用工业副产品如粉煤灰（FA）和矿渣作为粘合剂以及来自废弃混凝土的再生骨料（RA）的聚合物再生混凝土（GRC）为减少OPC消耗、限制天然石材开采以及促进建筑和拆除废弃物（CDW）的利用提供了一种有前景的低碳策略[4]、[5]、[6]。然而，与NA相比，RA引入了附着的旧砂浆和预先存在的微裂纹，以及更高的吸水率和孔隙率，导致GRC内部界面过渡区（ITZ）更加复杂。先前的研究表明，随着RA含量的增加，GRC的抗压强度、弹性模量和抗断裂性能通常会下降，并加剧其准脆性断裂行为[7]、[8]。改善GRC的抗断裂性能和断裂后韧性的另一种方法是加入钢纤维（SF），即钢纤维增强聚合物再生混凝土（SFR-GRC），它具有潜在的可持续结构应用前景[9]、[10]。

关于SFR-GRC的现有研究主要集中在混合比设计和力学性能上[9]、[11]。GRC的性能受RA含量和界面特性控制，而碱性环境可以改善附着的旧砂浆和RA-基体ITZ，部分缓解了与RA相关的机械退化[12]、[13]、[14]。然而，过度添加RA会增加孔隙、微裂纹和ITZ的积累，降低基体的密实度和界面传力能力[15]。因此，引入SF来弥补这些缺陷并提高GRC的力学性能。赵等人[11]报告称，由于纤维桥接作用以及SF与聚合物基体之间的良好粘结，压缩强度、劈裂抗拉强度和弯曲强度分别提高了38%、83%和41%。然而，SFR-GRC仍然是一种多相异质复合材料，在RA-基体、旧砂浆-新基体和SF-基体ITZ处可能存在潜在缺陷。这些缺陷可能引发断裂损伤并控制裂纹扩展，使得传统的基于强度的理论不足以描述其破坏过程和断裂响应[16]、[17]。

断裂力学为评估混凝土复合材料中的裂纹起始和扩展提供了有效的框架，尤其是在传统基于强度的指标无法完全描述断裂后行为时。因此，缺口三点弯曲试验被广泛应用于表征传统水泥混凝土（CC）的断裂行为，并开发了几种断裂模型来描述裂纹起始和不稳定扩展[18]、[19]、[20]。在此基础上，先前的研究表明，由于多孔的附着旧砂浆和弱的老/新ITZ，RA会降低断裂能量和不稳定断裂韧性[21]、[22]。纤维增强可以通过提高断裂韧性和断裂能量以及稳定断裂后变形来改善RAC的断裂性能。在陈等人的研究中[23]，SF延迟了RAC中的裂纹起始并限制了裂纹开口。Maglad等人[24]进一步证明，对于含有100% RA的混凝土，将SF含量从0.5%增加到1.5%分别使断裂韧性提高了46.25%和66.42%。除了纤维增强外，还研究了使用再生粉末、辅助胶凝材料、纳米硅和粉煤灰对基体进行改性以改善断裂性能[25]、[26]、[27]。当这些改性剂比例适当时，可以增加基体和ITZ的密实度，限制界面微裂纹，并提高抗断裂性能或峰值后的延性。骨料特性和界面粘结也会显著影响断裂行为。Golewski[28]报告称，含有碎骨料的混凝土比砂砾混凝土具有更高的断裂韧性，因为它们的粗糙表面促进了更强的ITZ粘结。Golewski等人[29]进一步表明，增加最大石灰石骨料尺寸可以提高II型断裂韧性并减小ITZ微裂纹的宽度。除了传统的断裂试验外，还采用了先进的非接触式或无损测量技术，如数字图像相关（DIC）、声发射（AE）和原位X射线计算机断层扫描（CT），来研究混凝土的断裂行为和破坏机制。Wan等人[25]将AE监测与断裂试验结合使用，跟踪改性RA的损伤演化，发现RA加剧了内部损伤活动并加速了断裂发展。在这些技术中，DIC常被用来获得全场应变分布，并表征裂纹起始、裂纹扩展、断裂过程区（FPZ）演化和加载期间的应变局部化。Yu等人[30]和Xu等人[31]在RAC断裂试验中采用了DIC，提供了RA引起的应变集中、局部损伤演化和渐进性裂纹发展的定量全场证据。这些研究表明，改性混凝土的断裂行为受基体密实化、骨料类型、界面特性和裂纹桥接机制的联合影响，借助先进的监测技术来跟踪断裂过程。基于实验和数值结果，提出了几种断裂理论模型来描述准脆性材料中的裂纹起始和不稳定扩展。例如，Xu和Reinhardt提出的双K断裂模型[32]、[33]为聚合物混凝土（GC）的断裂分析提供了重要的基础和指导。

关于基于聚合物的材料，由于其反应产物、孔结构和骨料-基体界面特性的差异，其断裂响应与CC[34]有显著不同。Pan等人[35]报告称，GC的特征长度、弹性模量和断裂能量与CC不同。Sarker等人[36]指出，GC在相似的强度等级下可以达到更高的断裂载荷，但倾向于以更脆的方式失效，并且峰值后软化曲线更陡峭。引入RA引入了内在缺陷和多个ITZ，进一步复杂化了GRC中的裂纹起始和扩展。Zheng和Deng[37]报告称，用RA替换NA使GRC的断裂能量降低了16.8%–43.8%。Sun等人[38]进一步发现，增加RA含量通常会降低GRC的初始和不稳定断裂韧性及断裂能量，而加入1.5%的SF显著提高了其抗断裂性能。他们的DIC结果还显示，SF抑制了裂纹扩展，缩短了FPZ，并减小了GRC中的最大裂纹宽度。

同时，混凝土是一种多尺度和多相复合材料，其宏观破坏受介观尺度的损伤起始和演化控制[39]。因此，介观尺度数值模型被广泛用于模拟混凝土断裂过程并阐明潜在的破坏机制[39]、[40]、[41]、[42]、[44]。这些模型可以明确表示异质相，包括骨料、砂浆基体、附着的旧砂浆、ITZ和SF。通过指定各相的特定材料属性和界面关系，介观模型能够检查内部裂纹起始、扩展和聚合，以及不同材料相之间的应力重新分配和相互作用。Peng等人[42]使用数字图像处理重建了RAC的实际介观结构，并模拟了其应力重新分配和断裂演化。Ren等人[44]进一步考虑了RAC中附着旧砂浆的几何特性，并报告称其空间分布强烈影响了裂纹的优先路径和力学响应。此外，还具有明确嵌入纤维和纤维-基体界面的介观模型被用来描述裂纹发展过程中的纤维桥接、界面剥离和能量耗散[45]、[46]。然而，对GRC的数值和本构研究主要致力于模拟其压缩和拉伸响应[47]、[48]，而对SFR-GRC的断裂导向介观模拟探索不足。

迄今为止，关于SFR-GRC力学性能的研究主要集中在SF含量上，而其他关键参数如RA含量和SF长宽比受到的关注相对较少[11]、[49]、[50]。尽管最近对类似材料的研究取得了进展，但对SFR-GRC断裂行为的系统研究仍然很少[50]。Sun等人[38]研究了添加纳米SiO2和SF的GRAC的断裂行为，主要强调了纳米SiO2和SF对断裂性能和裂纹演化的影响。然而，没有系统地考虑SF含量的影响。Zhen等人[49]研究了不同SF含量和长宽比的GC的力学和断裂性能，但没有探讨RA和SF对断裂响应的影响。因此，RA含量和SF参数对SFR-GRC的断裂响应（包括断裂参数、裂纹演化和峰值后延性）的综合影响尚未得到充分理解。尽管已经为CC、RAC和SFRC开发了介观模型，但明确考虑组成相和相关界面的SFR-GRC的断裂导向模拟仍然有限。此外，DIC观察到的表面裂纹演化与介观内部损伤扩展之间的相关性尚未得到充分建立。

研究新颖性和贡献
本研究系统地研究了RA含量、SF含量和SF长宽比对SFR-GRC断裂行为和破坏机制的耦合影响。与以往主要关注强度发展、混合比设计或RAC、GRC或SFRC的单因素改性的研究不同，本研究阐明了RA相关的弱界面和SF增强如何共同调节裂纹起始、FPZ演化、裂纹扩展和断裂后响应。

原材料
聚合物粘合剂由S95级矿渣和粉煤灰按固定的质量比4:1组成[13]。它们的化学和物理性质与我们先前的研究结果一致[49]。为了活化铝硅酸盐前驱体，通过将液体硅酸钠溶液与96%纯片状氢氧化钠混合制备了碱性活化剂。硅酸钠的模量为3.3，含有27.3%的SiO2和8.5%的Na2O。使用了细度模量为2.6的天然河沙。

压缩强度和弯曲强度
图5比较了不同RA含量和SF参数的SFR-GRC的压缩强度和弯曲强度。两种强度都对RA含量表现出非单调响应。在相对较低的RA含量下，尤其是低于50%时，RA对强度的影响有限。这可能与RA-基体ITZ的局部细化和低RA含量下弱界面区域的有限形成有关[13]、[14]。如图6(a)和(b)所示，骨料-基体周围的反应产物...

介观FE模型的构建
在介观尺度上，SFR-GRC被视为由聚合物基体、NA、RA、附着的旧砂浆、旧ITZ、新ITZ和离散SF组成的多相异质复合材料。在该模型中，旧ITZ代表原始骨料核心与附着旧砂浆之间的界面，而新ITZ代表附着旧砂浆或骨料与基体之间的界面。这种相级别的表示允许研究RA相关的弱界面区域和SF诱导的裂纹...

结论
本研究通过实验、DIC分析和介观模拟研究了RA和SF联合作用下的SFR-GRC的断裂行为和破坏机制。主要结论如下：
(1) RA含量低于50%时对压缩强度和弯曲强度的影响有限，而将RA含量增加到100%分别降低了10.55%和23.69%。SF的添加有效缓解了这种衰减，提高了压缩强度和...

作者贡献声明
Jian Chen：撰写——原始草稿，调查；Biao Li：撰写——原始草稿，项目管理，调查，资金获取，概念构思；
Cheng Zhen：软件，方法论，调查，数据管理；
Fanghong Wu：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，概念构思；
Yaodong Liu：可视化，资源，调查；
Jingjun Hou：撰写——审阅与编辑，监督，软件，资源；
Yaqi Li：撰写——审阅与编辑，验证；

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
作者衷心感谢中国国家自然科学基金（52308248）和湖北工业大学（XJ2025000101）的财政支持。

Jian Chen|Biao Li|Cheng Zhen|Fanghong Wu|Yaodong Liu|Jingjun Hou|Yaqi Li|Songbo Wang