《Ocean Engineering》：Degradation of splitting tensile strength of geopolymer concrete under continuous immersion and dry-wet cycles in sulfate environment
编辑推荐：
•通过静态和动态劈裂试验评估了GPC在Na2SO4暴露后的表现。•干湿循环导致的强度损失大于连续浸没。•动态劈裂强度退化速度快于静态劈裂强度。•DIC揭示了干湿循环条件下更早的开裂和更宽的应变局部化现象。•CDP模拟重现了与暴露条件相关的承载能力损失和损伤局部化现象。引言混凝
- •
通过静态和动态劈裂试验评估了GPC在Na2SO4暴露后的表现。
- •
干湿循环导致的强度损失大于连续浸没。
- •
动态劈裂强度退化速度快于静态劈裂强度。
- •
DIC揭示了干湿循环条件下更早的开裂和更宽的应变局部化现象。
- •
CDP模拟重现了与暴露条件相关的承载能力损失和损伤局部化现象。
引言
混凝土在海洋环境中的耐久性受硫酸盐暴露的强烈影响（Zhang等，2022；Guo等，2021；Chen等，2017；Niu等，2015）。在连续浸没条件下，含硫酸盐溶液主要通过相对稳定的饱和状态下的扩散进入孔隙网络，相关的劣化通常随时间逐步发展（Yuan等，2016；Santhanam等，2002；Whittaker和Black，2015）。在干湿循环条件下，反复的毛细吸收、水分再分配和干燥引起的变形改变了含硫酸盐溶液在材料内部的传输和积累过程（Yuan等，2016；Niu等，2013；Qin等，2024；Wang等，2022a）。在湿润阶段，毛细吸力和水分再分配促进了含硫酸盐溶液向内传输。在随后的干燥阶段，水分损失产生浓度梯度、局部盐分富集和干燥引起的变形。这些过程的反复发生会产生交替的水分梯度和循环体积变化，可能促进暴露引起的缺陷积累并加速表面劣化（Santhanam等，2002；Whittaker和Black，2015；Qin等，2024；Wang等，2022a）。因此，即使在相同的溶液浓度和暴露时长下，干湿循环也可能比连续浸没产生更严重的开裂、剥落、刚度损失和强度退化（Whittaker和Black，2015；Qin等，2024；Wang等，2022a）。这种暴露方式效应对于同时包含连续浸没区和潮差区构件的海洋结构尤为重要（Chen等，2016；Li等，2020；Lu等，2022）。
在全球减少碳排放和推动工业副产品再利用的努力中，地聚物混凝土（GPC）作为一种有前景的替代胶凝材料体系而受到关注（Provis和Bernal，2014；Provis等，2015；Bakharev，2005；Bakharev等，2003）。地聚物通过碱激发高铝硅酸盐前驱体（如粉煤灰、偏高岭土和粒化高炉矿渣（GGBFS））制成，形成的硬化反应产物在化学性质上与普通波特兰水泥（OPC）的水化产物不同（Bakharev，2005；Bakharev等，2003；Provis，2018；Wong等，2022；Alahmari等，2023；Kurtoglu等，2018）。由于胶凝材料化学性质的差异，GPC可能表现出与OPC基混凝土不同的硫酸盐响应特性。先前的研究报告称，一些GPC配合比在硫酸盐和氯盐溶液暴露下表现出良好的强度保持、有限的膨胀以及相对稳定的物理性能（Provis和Bernal，2014；Provis等，2015；Patrisia等，2024；Amran等，2021；Ezuldin等，2024）。然而，GPC的硫酸盐响应受前驱体化学组成、钙含量、激活剂组成、孔隙结构、养护历史和环境条件的影响（Provis，2018；Wong等，2022；Alahmari等，2023；Kurtoglu等，2018；Gong和White，2018；Zhang等，2024a；Ting等，2021；Chen等，2024；Tu等，2026）。因此，明确不同的硫酸盐暴露方式如何影响GPC的力学劣化和断裂发展，对于其在水下区和潮汐区海洋环境中的应用至关重要。
以往关于地聚物混凝土抗硫酸盐性能的研究主要评估了抗压强度、质量变化、膨胀以及暴露后的微观结构特征（Alahmari等，2023；Chen等，2024；Liu等，2020a；Gao等，2013；Sun等，2022）。这些研究表明，GPC的硫酸盐响应受前驱体组成、激活剂化学性质、养护条件和暴露环境的影响。然而，不同独立研究之间的比较无法隔离暴露方式的影响，因为关键变量（包括配合比组成、硫酸盐浓度、试样几何形状、养护历史和暴露时长）通常存在差异。因此，尚不清楚连续浸没和干湿循环是否仅影响强度损失的幅度，还是也会改变劣化的时间发展过程。此外，抗压强度测量主要表征整体承载能力，并不能直接反映拉裂开裂的萌生和局部化（Li等，2023）。因此，需要在同一GPC材料体系内进行受控比较，以将暴露方式与抗拉强度退化、裂纹渗透和应变局部化联系起来。
这一问题与海洋基础设施直接相关，因为浸没区和潮差区构件经历不同的水分和离子传输条件。浸没区构件始终保持连续饱和状态，而潮差区构件经历反复的干湿循环（Yuan等，2016；Niu等，2013）。因此，在连续浸没条件下获得的劣化趋势不能直接应用于循环暴露构件，需要进行受控比较以支持GPC构件在这两种海洋区域的评估。此外，海洋混凝土可能同时承受准静态作用和短时动态荷载（Malvar和Ross，1998；Yan和Lin，2006、2008）。因此，采用巴西劈裂和分离式霍普金森压力棒（SHPB）试验作为互补的表征方法，以确定两种暴露方式在不同加载速率条件下的相对影响是否保持一致（Malvar和Crawford，1998；Huang等，2022）。
数值建模提供了一种补充手段，用于研究选定暴露状态下劈裂过程中的分布损伤发展，超越最终的断裂模式。连续介质损伤塑性本构模型可以描述准脆性材料中的刚度退化、拉伸软化以及损伤局部化（Lubliner等，1989；Lee和Fenves，1998），同时已开发出耦合的化学-力学和化学-传输-损伤本构模型来描述硫酸盐传输、化学反应及其相关的混凝土力学劣化（Cefis和Comi，2017；Qin等，2020）。本研究采用混凝土损伤塑性（CDP）框架，通过暴露依赖性材料属性来表征硫酸盐暴露的力学后果，从而与实测载荷响应、裂纹模式和DIC应变场形成互补。然而，针对连续浸没和干湿循环条件下GPC劈裂行为的受控实验-数值对比研究，涵盖准静态和高加载速率条件的，仍不充分。
因此，本研究调查了在5% Na2SO4环境中GPC劈裂抗拉响应的暴露方式依赖性劣化。采用同一配合比制备的圆盘试样，在相同硫酸盐浓度、试样几何形状、养护历史与测试龄期条件下，进行了最长192天的连续浸没和干湿循环暴露。采用巴西劈裂试验和SHPB试验评估准静态和高加载速率条件下的残余抗拉响应，采用静态和动态强度损失变量以及DIC测量来量化强度损失、裂纹形态和应变局部化。此外，针对每种暴露方式下的未暴露和192天暴露试样建立了基于CDP的有限元模型，每种暴露状态分别在准静态和动态加载下进行分析，共进行八次数值分析。模拟用于研究暴露依赖性承载能力变化、拉伸损伤萌生与扩展以及损伤局部化。通过整合力学试验、裂纹观测、DIC应变场和连续介质层次模拟，本研究区分了与浸没区和潮汐区海洋环境代表性暴露条件相关的抗拉劣化幅度和时间发展过程。
章节摘要
材料与试样制备
表1列出了本研究开发的地聚物混凝土（GPC）配合比，其中偏高岭土和粒化高炉矿渣（GGBFS）作为主要胶凝材料。图1总结了原材料、制备流程和最终圆盘试样的几何形状。偏高岭土取自中国河南省，粒径小于13 μm，粒径分布较为均匀，无明显团聚现象。粒化高炉矿渣（GGBFS）为……
静态劈裂响应与损伤变量
图7展示了两种暴露方式下地聚物混凝土（GPC）静态试验所得的劈裂载荷-位移曲线。如图7(a)所示，对于经受干湿循环的试样，对应峰值载荷的位移逐渐增大，而峰值载荷随暴露时长增加显著降低。曲线形状也从早期暴露龄期时的明显上拱形变为后期暴露时的较平坦形态……
结论
本研究调查了在5% Na2SO4环境中GPC劈裂抗拉行为的暴露方式依赖性劣化。圆盘试样进行了最长192天的连续浸没和干湿循环暴露，采用巴西劈裂试验、分离式霍普金森压力棒（SHPB）试验和数字图像相关（DIC）技术评估残余抗拉强度、损伤变量、裂纹形态和应变局部化的演化。A……
CRediT作者贡献声明
张Y.H.：原稿撰写、调查。钟W.L.：审阅与编辑、调查。涂L.J.：审阅与编辑、验证、调查、概念设计。范L.F.：审阅与编辑、方法论。
张Y.H.|钟W.L.|涂L.J.|范L.F.
