碳纤维含量与应变率对再生骨料混凝土力学性能及微观损伤演化的影响

《Materials》：The Influence of Carbon Fiber Content and Strain Rate on the Mechanical Properties and Microscopic Damage Evolution of Recycled Aggregate Concrete

　　

本研究系统探究了碳纤维（CF）含量（0%、0.15%、0.3%）与应变率（10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s）对碳纤维改性再生混凝土（CFRRAC）力学性能、微观结构及微观损伤演化的影响，采用单轴压缩试验、扫描电子显微镜（SEM）观察、声发射（AE）技术及统计损伤理论进行分析。结果表明，适量掺入CF可有效改善试件微观结构的密实度，增强CFRRAC的应变率效应，并提升其初始宏观力学性能。不同CF含量试件的微观结构特征以及与应变率相关的Stefan效应进一步影响了单轴压缩过程中微裂纹的起裂与扩展形态、传播路径及有效应力骨架的调整过程，导致表征微断裂与屈服损伤演化的特征参数随CF含量和应变率呈现规律性变化。上述因素共同决定了CFRRAC宏观非线性应力-应变行为的演化特征，结合CF桥接增韧效应，最终使得强度随应变率增大而提高，同时保持良好的延性。与未掺CF的试件相比，在0.3%掺量下，CFRRAC在10-5至10-2/s的应变率范围内峰值应力提高了37.16%至41.18%，峰值应变提高了22.94%至36.57%。以0.3%含量的CFRRAC试件为例，与10-5/s应变率相比，在10-4至10-2/s的应变率范围内，试件的峰值应力分别增加了9.31%、18.66%和31.24%。研究结果可为CFRRAC在工程领域的推广应用提供理论支撑。

论文解读：《碳纤维含量与应变率对再生骨料混凝土力学性能及微观损伤演化的影响》

一、研究背景与意义

混凝土作为现代土木工程的主要结构材料，其消耗量随着城市化进程的推进持续增长。与此同时，老旧建筑的拆除产生了巨量的建筑垃圾，如何合理处置并实现资源化循环利用已成为紧迫的环境挑战。将废弃混凝土加工成再生混凝土骨料（RCA）以替代天然粗骨料，是一种环境友好且经济可行的资源化利用途径。然而，再生骨料混凝土（RAC）通常表现出低于普通混凝土的力学性能，这限制了其广泛应用。为了更有效地利用RCA，研究人员探索了多种方法，如调整水灰比、采用不同的搅拌工艺或改变骨料的含量、粒径和形状，但整体改善效果有限。此外，各种纤维——包括钢纤维、玄武岩纤维、回收纤维和合成纤维——被引入以增强RAC的力学性能。尽管某些纤维未能显著提高强度，但它们能有效改善RAC的韧性和抗冲击性。碳纤维（CF）作为一种增韧材料，不仅能提高RAC的抗压强度、弹性模量和耐腐蚀性，还能显著改变其在压缩下的破坏模式。然而，对于含有老化砂浆和复杂界面过渡区（ITZ）的RAC，CF在压缩过程中的增强机制尤为复杂，因此需要在多尺度上进行系统性研究。

混凝土的动态行为对于承受动荷载的结构至关重要，尤其是在地震多发地区。研究表明，混凝土结构在动荷载作用下的宏观力学响应与静荷载作用下有显著差异，通常表现出更高的弹性模量和强度。因此，关于混凝土动态力学性能的研究已广泛开展。尽管常规混凝土的动态力学性能已被广泛研究，但RAC的动态特性仍是一个重要的研究方向。当CF作为增强材料掺入RAC时，其高抗拉强度和长径比使其能够在加载过程中通过桥接效应有效抑制微裂纹的萌生和扩展，从而改善RAC在动荷载下的力学性能。然而，再生混凝土本身是一种多相、多尺度的非均质材料，其动态力学性能取决于材料固有的复杂性、CF含量的变化以及应变率的差异。因此，在研究碳纤维增强再生骨料混凝土（CFRRAC）的力学特性时，需要综合考虑这些多重因素，以更准确地揭示其动态失效机理和强化规律。目前，关注CF含量或应变率对RAC力学行为单独影响的研究相对丰富，但大多数现有工作集中在宏观强度指标和定性微观分析上，而对不同应变率下细观损伤机制的定量研究仍然相当有限。因此，深入探讨在上述因素协同作用下CFRRAC力学行为的演化规律十分必要。统计损伤力学为阐明混凝土等准脆性材料的细观损伤机制提供了一种有效途径。基于此，本研究旨在：(1) 定量评估CF含量和应变率对CFRRAC力学参数的协同增强作用；(2) 识别细观损伤特征参数（ε_a、ε_b、ε_h和H）随CF含量和应变率变化的规律性趋势；(3) 通过损伤谱揭示潜在的损伤演化机制，为理解CFRRAC的率相关失效过程提供更深入的见解。该论文发表于《Materials》。

二、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法开展研究：

1. 1.
   单轴压缩试验：使用YAW-5000型微机控制电液伺服压力机，对三种CF体积分数（0%、0.15%、0.3%）的CFRRAC立方体试件（100mm×100mm×100mm）在四种应变率（10^-5/s、10^-4/s、10^-3/s、10^-2/s）下进行加载，获取完整的应力-应变曲线。
2. 2.
   扫描电子显微镜（SEM）：选取CF体积分数为0%和0.3%的混凝土试件破碎后的碎片进行SEM观察，分析微观结构形貌。
3. 3.
   声发射（AE）技术：使用SAEU3H声发射系统，在单轴压缩试验同步进行AE监测，通过振铃计数等特征参数分析试件内部微裂纹的演化过程。
4. 4.
   统计损伤本构模型：基于Bai等人提出的统计损伤理论，建立描述CFRRAC在单轴压缩下细观损伤演化的数学模型，并通过MATLAB遗传算法工具箱拟合确定细观损伤参数。

三、研究结果

3.1 力学参数分析

通过单轴压缩试验获得了不同CF含量和应变率下CFRRAC的峰值应力、弹性模量和峰值应变。结果表明，峰值应力与CF含量正相关，例如在10^-5/s应变率下，CFRRAC0.3的峰值应力比CFRRAC0提高了37.7%。峰值应力也随应变率增加而稳定上升，以CFRRAC0.3为例，从10^-5/s到10^-2/s提升了约31%。弹性模量同样随CF含量和应变率的增加而增大。峰值应变总体上因CF的加入而提高，但其对应变率的依赖性不一致，受CF含量调制。

3.2 破坏模式

CFRRAC0.3试件在不同应变率下的压缩破坏形态表明，低应变率下裂纹分布均匀、宽度小、数量多；高应变率下表面裂纹明显变宽、数量减少，形成更多贯穿裂缝，并有更多砂浆碎屑剥落。这归因于加载速率不同导致的微裂纹扩展时间差异。

3.3 SEM结果分析

SEM图像显示，未掺CF的试件中，微裂纹沿ITZ（界面过渡区）扩展。掺入CF后，CF均匀分布在水泥浆体中，通过桥接效应有效抑制微裂纹的萌生和扩展，其失效模式主要包括纤维拔出和纤维断裂。

3.4 AE结果分析

AE振铃计数与应力-应变曲线的对比分析将加载过程分为四个阶段。研究发现，AE峰值区域并不对应于应力-应变曲线的峰值应力点，而是滞后于它，恰好与统计模型中的临界状态重合，此时微裂纹扩展最充分，AE活动最强烈。

3.5 应力-应变曲线

所有试件的单轴压缩应力-应变曲线形状相似，由上升段和下降段组成。CF含量的增加使曲线上升段斜率增大，峰值点向右上方移动，下降段变得更平缓，表明延性增强。应变率的增加也使曲线上升段变陡，峰值应力和弹性模量提高。

四、细观损伤机制分析与结论

研究人员基于统计损伤模型分析了细观损伤机制。该模型将混凝土的变形破坏视为承载骨架最优调整的自组织行为，包含断裂损伤（反映微裂纹扩展）和屈服损伤（反映承载骨架优化）两种模式。通过模型拟合得到细观损伤参数（ε_a、ε_b、ε_h和H）。结果显示，随着应变率增加，表征屈服损伤的特征参数ε_a、ε_h和ε_b总体呈下降趋势，表明高应变率加速了细观损伤演化。与断裂损伤相关的参数H随应变率增加线性减小，且在同一应变率下随CF含量增加而减小，表明微裂纹密度降低。Ev（承载骨架优化程度）演化曲线在高应变率下变得更陡峭。断裂损伤变量DR的演化在高应变率下于更小的应变范围内完成。损伤谱直观地揭示了细观损伤演化机制，并将其与宏观非线性应力-应变行为联系起来。

研究结论总结如下：

(1) CFRRAC的力学性能随CF含量和应变率呈现规律性变化。在同一应变率下，与CFRRAC0试件相比，CFRRAC0.3试件在10^-5/s至10^-2/s的应变率范围内峰值应力提高了37.16–41.18%，峰值应变提高了22.94–36.57%。对于相同CF含量，以CFRRAC0.3试件为例，在10^-4/s、10^-3/s和10^-2/s应变率下的峰值应力较准静态加载分别提高了9.31%、18.66%和31.24%。

(2) 在低应变率下，加载速率较低，试件达到破坏所需时间较长。微裂纹从ITZ起裂并逐步扩展，导致破坏时形成的微裂纹数量较多但宽度较小。在高应变率下，加载速率高，微裂纹没有足够的时间完全扩展，它们倾向于切断部分骨料，形成宽度较大但数量较少的贯通裂缝。

(3) CF通过改善微观结构特征来增强RAC的力学性能。CFRRAC的失效模式主要包括纤维拔出和断裂。CF在基体中的均匀分布及其桥接效应能有效传递和重分布混凝土内部的拉应力，抑制微裂纹扩展，从而改善RAC的力学性能。此外，AE峰值区域并不对应于应力-应变曲线的峰值应力点，而是滞后于它，该位置恰好与统计模型中的临界状态一致。

(4) 宏观非线性应力-应变行为受初始力学性能以及细观断裂和屈服两种损伤演化过程的共同支配。损伤演化可通过本研究获得的损伤谱直观反映。随着CF含量和应变率的增加，细观损伤特征参数（ε_a、ε_b、ε_h和H）总体呈现下降趋势，而Ev和DR的演化曲线显示出清晰的规律性变化。损伤谱直观地揭示了CFRRAC的细观损伤演化机制，有效地建立了这些机制与宏观非线性应力-应变行为之间的联系。