晶须增韧玄武岩-聚酯纤维喷射混凝土在复合盐冻融循环下的力学性能与损伤演化研究

《Composites Communications》：Investigation on mechanical properties and damage evolution of whisker toughening basalt-polyester fiber shotcrete under composite salt freeze-thaw cycles

　　

•在盐冻融作用下，侵蚀产物的膨胀导致纤维增强喷射混凝土（FRSC）微观结构破坏。
•掺入碳酸钙须晶（CW）显著增强了玄武岩纤维（BF）/聚对苯二甲酸乙二酯纤维（PETF）复合喷射混凝土（SC）的盐冻融抗性。
•CW 能增强纤维与基体之间的粘结力并降低 SC 的孔隙率。
•声发射（AE）损伤定位表明 CW-BF-PETF 协同分散了 SC 内部的损伤。

引言
喷射混凝土（SC）已成为隧道衬砌、油气井及其他地下工程修复中不可或缺的材料，具有速凝和与围岩粘结力强等特点 [1,2]。随着基础设施建设的不断推进，复杂恶劣环境下的 SC 结构数量日益增加，其耐久性面临严峻挑战。在中国西北寒冷地区和高海拔地区，冻融（F-T）循环是导致 SC 结构破坏的主要因素之一。在此类环境中，当水渗入混凝土孔隙时，在低温下会冻结膨胀，产生冻胀压力 [3]。这导致混凝土内部微裂纹的产生和扩展，严重影响结构工程的安全性和使用寿命 [4]。Chen 等人 [5] 采用 CT 扫描技术研究 SC 在冻融循环作用下的微观损伤演化。结果表明，随着冻融循环次数的增加，SC 水泥砂浆内部的松动和滑移现象逐渐加剧，微孔隙数量显著减少。同时，在中国沿海地区、西部盐土区域以及广泛使用融雪盐的道路和隧道中，SC 结构将同时承受冻融循环和盐侵蚀的联合作用 [6]。氯盐和硫酸盐侵蚀性盐对水泥基材料的破坏机制复杂，涉及耦合作用。一方面，当 SO42? 和 Cl? 进入混凝土时，会降低孔溶液的冻结点，从而加剧冻融循环下混凝土的物理膨胀损伤。另一方面，SO42? 和 Cl? 可与水泥水化产物反应形成膨胀性产物，从而产生膨胀压力和盐结晶压力 [7]。这种物理冻胀和化学侵蚀膨胀的联合作用往往比单纯的冻融或盐侵蚀更具破坏性，并会显著加速 SC 的损伤过程。因此，研究硫酸盐和氯盐联合作用下 SC 的盐冻融抗力对于确保寒冷盐蚀环境中结构工程的长期安全和可靠性具有重要意义。

由于纤维具有优异性能，如高强度和与基体良好的粘结性，当它们被添加到 SC 中时，可以保持水泥基体的完整性，缓解水冰相变和侵蚀产物膨胀引起的应力，并显著增强 SC 的盐冻融抗力 [8]。同时，混凝土中的纤维可以通过桥接和拔出机制有效抑制微裂纹的萌生和扩展。这显著增强了混凝土的韧性、抗裂性和变形能力，并缓解了冻融循环引起的损伤和退化 [9]。此外，基于纤维间距理论和相关的纤维抗裂机制，在纤维增强复合材料体系中，纤维的均匀分布可以有效防止微裂纹的扩展 [10]。同时，均匀分布的纤维可以通过界面与水泥基体粘结，使局部应力更均匀地传递和分散到更大面积的基体中，从而延缓应力集中引起的裂纹扩展。例如，当钢纤维（SF）、玻璃纤维（GF）和聚丙烯纤维（PF）掺入混凝土时，它们可以改善混凝土内部的孔隙结构，并与水泥基体协同承受外部荷载，从而增强混凝土的力学性能和耐久性 [11]。Wang 等人 [12] 揭示掺入 SF 有效抑制了侵蚀产物膨胀引起的裂纹扩展并降低了 SC 的孔隙率。Yu 等人 [13] 发现 GF 使膨胀 SC 的无侧限抗压强度提高 15.8%，劈裂抗拉强度提高 57.1%，并显著抑制了 SC 的膨胀。然而，添加单一类型纤维对改善混凝土整体性能的效果相对有限。通过混合不同尺寸或类型的纤维，可以在水泥基体内形成多尺度、多机制的增强体系，从而实现性能互补并显著增强混凝土的力学性能和耐久性 [14]。Xia 等人 [15] 指出 SF 和 PF 在混凝土中具有协同效应，有效缓解了冻融循环引起的损伤，盐冻融循环后平均孔径比对照组减少 36%。然而，SF 在氯盐侵蚀下容易生锈，GF 耐碱性差，PF 弹性模量较低 [10,16]。这在一定程度上限制了这些纤维在工程中的广泛应用。

相比之下，BF 属于无机非金属材料。它具有优异化学稳定性及良好耐候性，能有效抵抗低温和盐侵蚀 [17]。同时，BF 是一种无污染绿色纤维，具有高弹性模量和拉伸强度，温度适用范围广，被誉为 21 世纪的绿色材料 [18]。Jiang 等人 [19] 揭示 BF 和 PF 协同工作增强了 SC 的强度和延性。与对照组相比，掺纤维 SC 的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度分别提高了 23.96%、20.89% 和 26.27%。此外，PETF 由废旧塑料熔纺而成，具有良好的韧性和耐腐蚀性。将 PETF 掺入混凝土不仅便于废料回收，还能增强混凝土的力学性能 [20]。Hiremath 等人 [21] 发现，与 PF 相比，PETF 增强的活性粉末混凝土在高温条件下表现出更好的抗裂性，且 200 - 800 °C 范围内 PETF 增强活性粉末混凝土的残余抗压强度更高。此外，PETF 相对较高的极限断裂伸长率可以有效替代 PF [22]。因此，通过将高弹性模量的 BF 和高韧性的 PETF 同时掺入混凝土，可以实现优势互补，进一步增强水泥基材料的综合性能。然而，传统纤维主要作用于宏观或介观尺度，其在改善水泥基体盐冻循环引起的微纳米尺度损伤方面的效果有限，从而限制了在复合盐冻融条件下增强水泥基体性能的潜力。因此，寻求多尺度协同增强体系以弥补这一缺陷已成为当前的重要研究方向。

近年来，须晶作为一种尺寸小、结构完整、强度高的单晶材料，因其增强和增韧混凝土的卓越潜力而备受关注。碳酸钙须晶（CW）作为一种具有高长径比和高弹性模量的微纤维增强材料，可作为骨料填充物并桥接微裂纹，从而增强混凝土的强度、韧性和抗侵蚀性 [23]。同时，CW 可以通过成核效应促进混凝土内部水化产物的形成，并增强纤维与基体之间的粘结 [24]。此外，通过将须晶增韧与 BF-PETF 的宏观性能增强相结合，构建多级须晶 - 纤维增强体系，可以进一步增强水泥基体的盐冻融抗力。此外，混凝土材料的变形和破坏过程本质上是涉及能量输入、内部积累、多种途径耗散和最终释放的完整能量循环。目前，传统实验方法通常局限于对混凝土宏观破坏现象的观察和分析，难以从时间和空间维度揭示材料内部损伤的动态演化规律 [25]。同时，尽管 SEM、TG 和 MIP 等微观方法可以提供混凝土内部结构的静态表征或成分分析，但其分析维度仍主要局限于微观形貌、相组成和孔隙结构的直观描述，难以直接捕捉混凝土内部的损伤演化过程。声发射（AE）技术可以通过捕捉受力或环境因素影响下内部裂纹萌生和扩展时释放的应力波信号，获取能量、振铃计数和幅值等特征参数，从而揭示材料内部损伤的演化规律和破坏机制 [26,27]。Liu 等人 [28] 证明，混凝土经历冻融循环后，在加载初始阶段即可观察到声发射信号，且突然增加现象表明混凝土内部已发生显著损伤。Liu 等人 [29] 揭示侵蚀产物增加了混凝土内部的初始损伤，导致加载过程中声发射信号更加活跃。因此，利用 AE 技术监测冻融循环后的 FRSC，并分析其损伤演化模式，有助于阐明混凝土中裂纹的破坏机制，具有重要意义。

综上所述，尽管一些研究者对 FRSC 的耐久性进行了研究，但大多数集中在传统宏观纤维复合或单一因素的影响上，缺乏多尺度相关性分析。同时，在 CW、BF 和 PETF 协同增强下，SC 在盐冻融过程中力学性能退化、微观结构变化和裂纹演化之间的内在关联仍不清楚。难以揭示 SC 在多因素联合作用下的损伤和退化机制。基于此，本研究探讨了 CW、BF 和 PETF 在盐冻融条件下对 SC 的协同增强机制，并通过 SEM、TG 和 MIP 分析了盐冻融条件下 SC 的微观结构、相组成和孔隙结构变化。同时，利用 AE 技术监测须晶增强 FRSC 在盐冻融循环和单轴压缩下的内部损伤演化，并分析了该过程中声发射参数的变化模式。此外，建立了声发射信号与宏观力学性能退化以及微观结构损伤演化之间的相关性，旨在揭示须晶和纤维在多尺度下的协同增强机制。

章节片段
材料
普通硅酸盐水泥 P·O 42.5，其成分列于表 1。碎石粒径范围为 5 至 10 毫米。河沙细度模数为 2.76。BF、PETF 和 CW 的形态如图 1 所示，其性能列于表 2。加速剂为无碱加速剂（AF），其成分为 Al2(SO4)3。AF 的性能见表 3。

配合比设计
FRSC 的配合比列于表 4。先前的研究表明，当...

凝结时间
图 5 显示了 SC 的凝结时间。随着 AF 用量的增加，SC 的初凝和终凝时间显著缩短，表明添加 AF 可以有效加速水泥水化过程并促进混凝土速凝。当 AF 掺量为 5% 时，SC 的初凝和终凝时间分别为 8.68 分钟和 31.83 分钟，与未添加 AF 的凝结时间相比，分别缩短了 145.95 分钟和 191.6 分钟，但...

声发射能量和振铃计数
图 16 展示了经历 125 次盐冻融循环后 FRSC 的声发射能量和振铃计数。当 BF 和 PETF 用量相同时，添加 CW 的组别具有更高的累计能量和累计振铃计数。B1P3 的累计能量和累计振铃计数分别为 1.8 × 10^6 和 3.71 × 10^6。掺入 CW 的 CB1P3 的累计能量和累计振铃计数分别为 1.92 × 10^6 和 4.11 × 10^6。同时，与 PC 相比，累计能量和...

结论
本研究探讨了复合盐冻融循环下 BF 和 PETF 与 CW 协同作用时的力学性能和内部裂纹损伤演化。

结论如下：(1) 当 BF 和 PETF 的掺量相同时，添加 CW 可以进一步增强 FRSC 的抗盐冻融循环能力，三者联合添加实现了“高模量 + 高韧性 + 高致密性”的协同效应。经过 125 次盐冻融循环后，B4P0 的抗压强度是

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致谢
本研究由河南省自然科学基金项目 (262300421324)、河南省重点科技项目 (262102230073)、河南省重点研发项目 (231111321800)、河南省自然科学基金项目 (252300421710)、河南省重点研发及推广项目 (252102111167) 以及河南省高校重点科研项目 (26A560004) 资助。

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