GGBS（磨细粒化高炉矿渣）与再生骨料对聚合物混凝土摩擦学、力学及断裂行为的协同效应

《Polymers》：Synergistic Effects of GGBS and Recycled Aggregates on the Tribological, Mechanical, and Fracture Behavior of Polymer Concretes

　　

虽然可持续填料对水泥基体系单独作用的影响已广为人知，但其于聚合物混凝土（Polymer Concrete, PC）基体中的协同摩擦学与断裂行为仍鲜有研究。为此，研究人员以聚酯基聚合物混凝土为对象，开展物理、力学与摩擦学性能试验。除采用聚酯树脂与硅砂（Silica Sand, SS）的基准试件外，研究人员以磨细粒化高炉矿渣（Ground Granulated Blast-furnace Slag, GGBS）与再生废弃混凝土骨料（Waste Concrete, WC）按0%、5%、10%、15%、20%、25%体积替代率取代硅砂制备改性混合料。研究人员测试了表观密度、吸水率、抗折与抗压强度、邵氏D硬度（Shore D hardness）、表面粗糙度、耐酸性、B?hme耐磨性及断裂能（Fracture Energy, Gf）。B?hme耐磨试验中以热像仪实时监测摩擦面温升，并以数码显微镜观察断口。结果表明：25% GGBS替代（B25）优化力学性能，抗压强度提升21.2%至108.30 MPa，抗折强度提升30.6%至35.29 MPa，B?hme耐磨性改善27%，但脆性显著增加，断裂能较基准降低53.3%；WC虽具可持续性优势，却限制力学性能，20%替代时抗压降至80.46 MPa（降9.9%）、抗折降至22.97 MPa（降15%），其W20系列断裂能高于B25但仍较基准低47.8%。GGBS系列对硫酸侵蚀敏感性高于WC系列。

研究背景方面，水泥生产能耗高且CO₂排放大，建筑行业亟需廉价环保材料。聚合物混凝土以聚酯树脂等聚合物取代水泥与水，具备快固、高强、耐久等优势，但工业副产品磨细粒化高炉矿渣与再生废弃混凝土骨料在其中的联合作用研究有限。现有文献多关注树脂、普通废料对PC力学与耐久性的单独影响，废弃物替代下的摩擦学—热特性—断裂能关联尚未阐明。因此，研究人员在聚酯树脂含量恒定条件下，系统考察硅砂被GGBS与WC不同比例替代后的物理、力学、耐久、磨损及断裂表现，论文发表于《Polymers》。

关键技术方法上，研究人员以铸造型不饱和聚酯树脂为粘结相，骨料为硅砂，替代料GGBS来自水泥厂、WC由实验室颚式破碎机破碎废弃混凝土并过2 mm筛获得。混合料经加速剂与引发剂固化、振动成型、65 ℃烘箱后养护。力学与物理测试涵盖单位重、吸水、邵氏D硬度、表面粗糙度（Ra/Rz/Rt）、抗折与抗压（TS EN 196-1）。耐磨采用B?hme法（EN 14157）并加热像仪记录摩擦面温度；断裂能通过对50×50×240 mm带缺口梁三点弯曲、以CMOD（裂纹口张开位移）按RILEM公式计算，并以数码显微镜观察断口。

4.1 单位重、抗压与抗折：研究人员由单位重、抗压和抗折结果得出，GGBS细填效应降低孔隙率，单位重由1.84升至2.06 g/cm³，抗压82→108 MPa、抗折28→35 MPa；WC系列单位重略增，抗压77–80 MPa，抗折随掺量增至20%时降至22 MPa，因老砂浆与微裂纹削弱界面粘结。

4.2 吸水试验：研究人员于1、7、14、28天测试，所有系列均不吸水，证明聚酯基体包覆骨料形成不透水结构。

4.3 表面粗糙度：研究人员测Ra、Rz、Rt发现，WC系列粗糙度上升源于骨料突出与局部孔隙；B系列随GGBS增加粗糙度下降，B25的Ra较基准降约72%，表面更致密平整。

4.4 邵氏D与耐酸：研究人员将试件浸10%硫酸28天，无质量损失；邵氏D初始90+，酸后B25约降10%、W25约降12%；抗压强度B15降幅最大约23%，GGBS中活性钙组分与酸反应致表层微孔与微裂，WC因已有水化基质、活性钙少，耐酸性优于GGBS系列。

4.5 B?hme耐磨：研究人员对REF、B25、W20试验，B25体积损3.058 cm³、较基准少27%，因密实与高填隙；W20体积损4.661 cm³最高，因WC-树脂界面弱、颗粒易剥落。热像显示B25最致密、接触面积大，峰值温39.50 ℃、平均31.46 ℃；W20颗粒脱落带走热量，温度波动最小。

4.6 断裂能：研究人员由缺口梁载荷-CMOD曲线与显微断口得出，基准Gf 408.20 N/m、耗能714.32 Nmm，界面桥接与聚合物伸长最佳；B25 Gf仅190.60 N/m，断口平整、裂纹直进、突断倾向强；W20 Gf 213.0 N/mm、耗能372.73 Nmm，孔隙与弱界面致韧性下降。

讨论部分总结：研究人员指出填料类型主导PC物理—力学—摩擦学表现；GGBS提强增密但增脆、耐磨且摩擦升温高、耐酸较弱；WC可持续但力学与韧性受损、表面粗化、耐酸较好；基准系列能量耗散与延性最优。为高强场景可用B25，为抗酸与低强可用WC系列，为抑B25脆断可加纤维增强，与文献方向一致。

结论部分翻译：本研究实验考察聚酯基聚合物混凝土的物理、力学与摩擦学性质，得出以下结论。填料类型是决定聚合物混凝土物理、力学与摩擦学性能的关键因素。1、7、14、28天吸水试验中无一试样吸水。各单位重介于1.83–2.06 g/cm³。GGBS替代率增加使抗压由82 MPa升至108 MPa、抗折由28 MPa升至35 MPa；含WC试样抗压维持77–80 MPa，抗折最低至22 MPa。25% GGBS（B25）使Ra较基准降约72%。B?hme试验中W20体积损4.661 cm³最高，B25为3.058 cm³最低；GGBS使耐磨性提27%，接触面积与密实度使摩擦面热负荷增约10%。酸后邵氏D最大降幅B25约10%、W25约12%；酸后抗压最大降幅为B15约23%。W20在强度、断裂能及耗能上均显著低于基准。综合看，B25适于高强但更脆，基准延性与耗能更优，WC虽降力学但耐酸，利于工业废料的利用与可持续目标。