含地质聚合物骨料的钢-PE混合纤维增强工程水泥基复合材料的力学性能实验研究 张瑾 曾玉卓

《Buildings》：Experimental Study on the Mechanical Properties of Steel-PE Hybrid Fiber Reinforced Engineering Cementitious Composites Containing Geopolymer Aggregates Jin Zhang and Yuzhuo Zeng

　　摘要：在工程水泥基复合材料（ECCs）中，使用细石英砂会带来较高的成本，并且不利于减少ECC的收缩。此外，细石英砂的开采和加工对环境有负面影响。同时，为了提高ECC的延展性而添加的聚乙烯（PE）或聚乙烯醇（PVA）纤维价格昂贵，这限制了ECC的广泛应用。为了实现废物利用和成本降低并提高效率，本研究采用地质聚合物骨料（GPA）作为细石英砂的替代品，并部分用钢纤维替代PE纤维，开发出一种经济且环保的地质聚合物骨料ECC。设计了六组具有不同配比比的ECC试样，并在单轴压缩、弯曲加载和单轴拉伸条件下进行了测试。研究了不同类型的骨料（细石英砂和地质聚合物骨料）以及PE纤维与钢纤维的体积分数比（0:2.0、0.5:1.5、1.0:1.0、1.5:0.5和2.0:0）对材料力学性能、微观结构特征和可持续性的影响。实验结果揭示了ECC在不同加载阶段的破坏过程和变形特性。结果表明，由于其较低的刚度和断裂能，地质聚合物骨料可以促进ECC的多重裂纹行为。尽管完全用多孔GPA替代石英砂最初会导致基体的抗压和抗弯强度略有下降，但部分用钢纤维替代PE纤维的混合策略有效地弥补了这种强度损失，同时保持了优异的延展性。通过将可持续性指标与传统ECC进行比较，结果表明，混合纤维地质聚合物骨料ECC可以有效降低材料成本和二氧化碳排放。这些发现验证了使用工业固体废物作为骨料生产绿色ECC的可持续性，并为环保地质聚合物骨料ECC的应用提供了指导。

1. 引言
混凝土材料虽然在建筑行业中得到广泛应用，但其抗拉强度低和延展性差等局限性限制了其在环保和耐久工程结构中的应用。基于微观力学和断裂力学理论设计的工程水泥基复合材料（ECCs）是一种纤维增强型水泥基材料，能够在拉伸载荷下实现应变硬化和多重裂纹[1,2,3]。与传统混凝土的抗拉应变约为0.05%相比，ECC的抗拉应变可以达到1%至5%[4,5]。ECCs有效克服了传统混凝土的缺点，提供了良好的耐久性并减少了工程结构的维护频率[6,7,8]。在复杂的环境条件下，特别是在海洋和腐蚀性环境中，ECCs显示出广泛应用的巨大潜力。此外，由于其出色的损伤容忍性和延展性，ECCs越来越多地应用于各种先进的结构应用中，如新型复合柱、结构接头和结构加固[9,10,11]。ECC的制备通常使用硅砂（SS）作为细骨料；然而，硅砂的来源有限，以及长距离运输带来的碳排放和生产成本增加阻碍了ECC的广泛应用[12]。因此，开发环保型ECC变得迫切。地质聚合物骨料（GPA）作为一种固体废物材料，被认为是替代硅砂的可行选择，同时也有助于大量利用工业固体废物。近年来，国内外进行了许多关于用GPA替代天然河砂制备水泥基材料的研究[13]。Huang等人[7]对使用GPA和细硅砂制备的两种ECC进行了加速老化测试，发现两种材料的强度相当，且GPA-ECC的长期抗拉性能更优。GPA的多孔性质通过释放水分促进水泥基材料的二次水化，从而增强了ECC的长期耐久性。Xu等人[14]发现，在制备GPA-ECC过程中，GPA可能会降低基体的断裂韧性并引发裂纹扩展。此外，与天然骨料相比，GPA通常具有较低的刚度和断裂能[13]。直接在普通混凝土中使用GPA可能会导致强度显著下降。这是因为普通混凝土缺乏大量的纤维桥接作用，而GPA引入的孔隙会导致严重的应力集中，最终导致脆性破坏。然而，在ECC的微观力学设计中，密集的混合纤维网络可以有效缝合由GPA孔隙引起的微裂纹，将这些“缺陷”转化为有利于稳定多重裂纹的触发因素。为了减轻这些不利影响，加入纤维已被证明是一种有效策略，以保持与基于硅砂的ECC相当的强度。现有研究表明，混合纤维增强混凝土在特定性能指标上优于单纤维混凝土。Mohammed、Pakravan和Ahmed等人[15,16,17]证实，多尺度纤维混合效应可以提高混凝土的抗拉强度、极限抗拉应变和抗弯韧性指数。值得注意的是，钢纤维-基体界面的粘结强度可达到9.7 MPa[18]，比聚合物纤维更有效地抑制裂纹宽度。不同类型和尺寸的纤维的协同效应可以创建多层次的裂纹抵抗机制：钢纤维主要阻碍宏观裂纹扩展，而聚合物纤维控制微裂纹的发展[19]。一些研究人员使用钢-聚合物混合纤维系统制备ECC，发现这种协同效应可以将裂纹宽度减少到50–80 μm（比单PE纤维小40–60%），同时将干燥收缩率降低到600–800 με[20]。基于这些发现，本研究采用地质聚合物骨料替代细硅砂，并使用低成本的钢纤维部分替代PE纤维，旨在开发一种经济、低碳的混合纤维地质聚合物骨料ECC，基于“废物利用”的概念。系统研究了钢纤维和PE纤维用量比以及骨料类型对ECC力学性能的影响。此外，还利用扫描电子显微镜（SEM）技术进行了微观结构分析。最后，通过材料可持续性指数（MSI）证明了混合纤维地质聚合物骨料ECC的可持续性。这项研究不仅促进了ECC在绿色工程中的应用，也为地质聚合物骨料的资源利用开辟了新的途径。

2. 材料与方法
2.1. 地质聚合物骨料
2.1.1. 地质聚合物骨料配比
共设计了九组地质聚合物骨料，并根据所用前驱体材料分为两种类型。各组分的比例列于表1中。第一种类型仅使用粉煤灰（FA）作为前驱体，研究碱度对地质聚合物骨料性能的影响，碱激活剂与前驱体的质量比在8%到16%之间变化。“FA–nAA”表示使用n%无水硅酸钠（AA）作为碱激活剂制备的粉煤灰基地质聚合物骨料。第二种类型重点研究磨细粒化高炉矿渣（GGBS）替代比例对地质聚合物骨料性能的影响。加入GGBS可以增强骨料与水泥基体之间的界面粘结。该组的前驱体材料包括粉煤灰（FA）和GGBS[21]。“mS–nAA”表示使用（100–m）% FA和（m）% GGBS作为前驱体合成的地质聚合物骨料，其中n%表示碱激活剂与前驱体材料的质量比。
表1. 地质聚合物骨料配比
2.1.2. 地质聚合物骨料的制备过程
根据实验程序，采用单组分混合技术制备地质聚合物骨料（GPA）。制备过程如下：(1) 将无水硅酸钠颗粒、矿物粉和粉煤灰加入搅拌容器中，干混3分钟以达到充分均匀。(2) 然后加入水，搅拌5分钟直至获得均匀、自由流动的灰色浆体，将其倒入模具中浇铸。对于每组地质聚合物骨料，制备了三个立方体试样，并测量并记录了它们的1天抗压强度。(3) 经过一天的标准养护后，将试样粉碎至粒径小于4.75毫米，放入70°C的干燥箱中干燥48小时。(4) 干燥完成后，将试样密封在密封袋中，储存28天以备后续使用。
2.1.3. 地质聚合物骨料的1天抗压强度
地质聚合物骨料的粉碎能量与其早期强度有关[22]；较高的强度需要在粉碎过程中投入更多的能量，这显然会增加经济成本。同时，一定的早期强度是确保地质聚合物骨料完整性的必要条件。本节测试了九种地质聚合物混合物的1天抗压强度，以评估碱含量和GGBS对早期强度的影响[23]。1天抗压强度结果如图1所示。当仅使用粉煤灰作为前驱体时，1天抗压强度分别为0.7 MPa和0.9 MPa，远低于最低可接受水平。将碱含量增加到12%时，强度迅速上升到2.5 MPa，显示出明显的改善。在碱含量为16%时，获得了最高的强度6.5 MPa。总体而言，随着碱含量的增加，1天抗压强度也随之增加，最高值出现在16%时。当碱含量为8%时，用GGBS替代10%和20%的粉煤灰，1天抗压强度分别增加了285.7%和385.7%。在碱含量为12%时，用GGBFS替代20%的粉煤灰，1天抗压强度分别增加了256.0%和388.0%。尽管增加碱含量显著提高了1天抗压强度，但过高的强度并不理想，因为手动粉碎需要消耗大量能量，并且需要保持骨料的完整性。此外，过高的碱含量可能会破坏C–S–H链[24]，从而降低地质聚合物骨料与水泥基体之间的粘结强度。
2.1.4. 地质聚合物骨料的隐含碳排放评估
地质聚合物骨料原材料的隐含碳数据见表2，其中包括粉煤灰[25]、矿渣粉[26]、无水硅酸钠[27]和水的隐含碳排放[28]。其中，无水硅酸钠被认为是地质聚合物骨料生产过程中的主要碳排放源[29]。根据表2提供的碳含量数据，估算了九组不同配比比地质聚合物骨料的隐含碳排放，结果如图2所示。对于仅使用粉煤灰作为前驱体的地质聚合物骨料，总碳排放随碱含量的增加而逐渐增加。由于粉煤灰的碳排放远低于无水硅酸钠，其对总碳排放的影响较小。对于用矿渣粉替代10%和20%粉煤灰作为前驱体的地质聚合物骨料，隐含碳排放也随着碱含量的增加而逐渐增加。
表2. 原材料的隐含碳
图2. 地质聚合物骨料的隐含碳排放
2.1.5. 地质聚合物骨料的配比设计
根据2.1.3节和2.1.4节的综合测试结果，地质聚合物骨料的混合物选择必须在机械强度和环境影响之间取得平衡。具体来说，1天抗压强度决定了粉碎过程的机械可行性和骨料的完整性，而碱激活剂含量则从根本上决定了隐含碳排放。根据这两个关键前提，对实验数据进行了比较分析，发现仅使用粉煤灰作为前驱体的地质聚合物骨料，较低的碱含量（FA-8AA和FA-10AA）不利于早期强度的发展。对比分析实验数据表明，对于仅使用粉煤灰作为前驱体的地质聚合物骨料，较低的碱含量（FA-8AA和FA-10AA）不利于机械性能的发展。相反，FA-14AA和FA-16AA混合物表现出过高的固有碳排放。这两组材料中碱度的增加会导致在制备地质聚合物骨料过程中能耗过高，这对于工业规模生产是不利的。因此，12%的碱含量更有利于工程推广和实际应用。对于用矿渣粉替代10%和20%粉煤灰的地质聚合物骨料，在相同的碱含量下，后者的整体性能优于前者。值得注意的是，在九组地质聚合物骨料中，20S-12AA混合物与工程水泥基复合材料（ECC）的相容性最高。石英砂骨料和地质聚合物骨料（GPA）的形态如图3所示。地质聚合物骨料的配合比设计见表3。

2.2 材料
2.2.1 ECC的原材料
主要原材料包括由诸城阳春水泥有限公司（中国潍坊）生产的P·O 52.5级普通波特兰水泥（OPC）。我们还使用了I级粉煤灰、S95级粒化高炉矿渣和硅灰（SF）（河南郑州新豫建筑材料有限公司）。这些原材料的化学成分见表4。碱激活剂是工业级无水硅酸钠（Na2SiO3-anhydrous），由青岛海湾化工有限公司（中国青岛）提供，其中SiO2的质量分数为46.60%，Na2O的质量分数为51.11%。超高分子量聚乙烯（PE）纤维的性能见表5，钢纤维的性能见表6。使用了一种高效聚羧酸基减水剂（PR）（江苏索伯特新材料有限公司，江苏南京），其减水率超过25%。地质聚合物骨料（GPAs）是自行制造的。根据现有研究[19]，所有GPAs的粒径均选择在4.75毫米以下。GPA的24小时吸水率为24.6%。石英砂（SS）的表观密度为2255.3 kg/m3，24小时吸水率为0.8%。实验过程中使用的是自来水。原材料的形态如图4所示。

2.2.2 ECC的配合比
为了实现ECC的高抗压强度，使用激光粒度分析仪和标准筛子获得了原材料的粒径分布。基质配合比的设计参考了广泛接受的改良Andreasen和Andersen（MAA）模型，具体细节见表7。水灰比和砂灰比分别为0.17和0.24，纤维体积分数为2%。原材料的累积粒径分布以及每种配合比的实际堆积曲线和MAA模型的目标曲线如图5所示。

本研究调查了两种骨料类型（GPA和石英砂）和混合纤维增强（PE纤维和ST纤维）在五种体积分数（ST纤维掺量为0%、0.5%、1%、1.5%和2%）对ECC的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度和变形性能的影响。共配制了六种配合比。每种配合比制备了三个立方体试件、三个棱柱形试件和三个狗骨形试件。

2.2.3 ECC的制备和固化
ECC试件制备程序：
1. 将水泥、硅灰和细骨料（加入前预先湿润GPA）加入搅拌容器中，搅拌5分钟。
2. 加入含有高效聚羧酸减水剂的自来水，继续搅拌10分钟，直到形成流体浆体。
3. 缓慢将纤维引入流体浆体中。缓慢搅拌5分钟后，加快搅拌速度2分钟以确保纤维分散。然后将浆体浇铸到立方体和狗骨形模具中。
4. 振动30秒后，用塑料薄膜覆盖表面以防止水分蒸发。试件在室温下放置24小时后脱模，转移到标准固化室中，在（20 ± 2）°C和相对湿度≥95%的条件下固化28天，之后进行相关测试。

2.2.4 方法
抗压强度测试使用DYE-300S微电脑控制伺服水泥抗弯和抗压测试机（上海华龙测试仪器有限公司，中国上海）进行。使用尺寸为70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方体试件，加载速率为1.5 kN/s。抗弯强度测试使用尺寸为40 mm × 40 mm × 160 mm的水泥砂浆棱柱形试件。轴向抗拉测试在WDW-100C微电脑控制电子万能试验机（上海SANS测试机械有限公司）上进行，使用尺寸为330 mm × 60 mm × 13 mm的狗骨形试件，加载速率为0.5 mm/min。抗拉测试方法遵循日本土木工程学会（JSCE）的建议。在试件侧面安装了80毫米标距的伸长计以实时测量轴向抗拉应变。微观结构分析使用JSM-7610F Plus场发射扫描电子显微镜（JEOL有限公司，日本东京）进行。设备的照片如图6所示。狗骨形试件的尺寸如图7所示。

3. 结果与讨论
3.1 抗压强度
3.1.1 单轴压缩测试行为
ECC立方体试件在压缩下的破坏过程可以分为四个阶段：弹性阶段、微裂纹发展阶段、宏观裂纹发展阶段和最终破坏阶段。在初始加载阶段，即弹性阶段，立方体试件表面没有明显的裂纹，内部结构损伤很小，表明工作条件正常。随着加载的继续，试件表面逐渐出现细裂纹并向边缘和角落扩展。微损伤逐渐累积，标志着进入微裂纹发展阶段。与普通混凝土在压缩测试中通常观察到的脆性破坏不同，ECC试件在压缩加载下表现出明显的延性破坏行为。当接近峰值载荷时，试件从微裂纹发展阶段过渡到宏观裂纹发展阶段。在此过程中，承载能力逐渐下降，微裂纹扩展并合并形成可见的细宏观裂纹。钢纤维的添加在一定程度上影响了混合纤维试件的裂纹形态：随着钢纤维含量的增加，裂纹分布变得更细密。较高的钢纤维含量导致破坏时的裂纹宽度变小，主断裂外的次级裂纹不那么明显，表明了延性破坏模式。随着变形的继续增加而载荷没有显著变化，裂纹逐渐扩大，直到试件进入最终破坏阶段，完全失去承载能力。最终破坏的试件表面仅有轻微的凸起和斜裂纹，没有剥落或大块碎片的脱落，显示出显著增强的完整性。

3.1.2 抗压强度测试结果分析
图8显示了28天固化后六种配合比的抗压强度和密度。从图8a可以看出，用地质聚合物骨料替代石英砂后，抗压强度下降了15.2%，这主要是由于GPA的强度低于石英砂。GPA-ECC的抗压强度最初增加，然后随着钢纤维替代PE纤维的比例增加而下降。当钢纤维和PE纤维混合（S1.0P1.0）时，ECC的抗压强度达到88.3 MPa，比仅用PE纤维加固的ECC（S0P2.0）高18.1%。这种改善主要是由于钢纤维能够促进基体内部的应力重新分布，同时增强能量吸收能力和裂纹处的残余应力。

然而，当钢纤维含量进一步超过1.0%（例如在S1.5P0.5和S2.0P0混合物中），抗压强度开始下降。这种下降主要是由于纤维聚集和分散问题。过多的刚性钢纤维体积分数使它们在混合过程中容易缠结和分布不均。这种“球化”效应会在基体中引入较大的初始宏观缺陷和空洞，显著阻碍基体在压缩加载下有效重新分配应力，最终导致强度过早下降。此外，钢纤维的加入导致密度增加；然而，这种增加小于5%，在实际应用中可以忽略不计。

3.2 抗弯强度
对于不含地质聚合物骨料的ECC棱柱形试件（SS100G0），其中细骨料完全由石英砂组成，破坏时的裂纹较少，断裂表面光滑且完整。PE纤维表现出拔出和断裂破坏模式。相比之下，对于含有100%地质聚合物骨料的试件（S0P2.0），其中细骨料完全被地质聚合物骨料替代，大多数裂纹在抗弯破坏时呈现多方向扩展模式，细裂纹数量减少。断裂表面保持光滑且完整，裂纹通过地质聚合物骨料的截面扩展。PE纤维的破坏模式主要是拉伸断裂。

地质聚合物骨料的加入导致ECC的抗弯强度降低。对于仅含PE纤维的测试组，增强效果主要表现在初始裂纹形成之后，此时抗弯应力可以继续增加直到达到峰值抗弯强度。基体表现出明显的应变硬化和多次裂纹行为。钢纤维的加入主要增强了混合纤维ECC的抗弯强度。钢纤维有效地抑制了微裂纹的形成和扩展，破坏时通常只有一条主裂纹贯穿整个试件。钢纤维的含量与裂纹局部化的程度呈正相关。随着钢纤维的加入，混合纤维ECC的抗弯强度最初增加，随后呈现下降趋势。不同配合比的28天抗弯强度如图9所示。

3.3 抗拉性能
3.3.1 单轴抗拉测试行为
在单轴抗拉测试中，由于纤维的加入，ECC在持续的单轴拉伸载荷下不会立即发生断裂破坏，而是表现出应变硬化特性和多次裂纹。根据单轴抗拉测试中观察到的破坏过程，ECC的抗拉行为可以分为三个阶段：
阶段1：线性弹性阶段——从加载开始直到出现第一条裂纹，抗拉载荷主要由水泥基体承担。应力和应变线性增加。由于基体的抗拉强度相对较低，裂纹开始形成，这一阶段以初始裂纹的出现结束。
阶段2：应变硬化阶段——随着载荷的增加，第一个裂纹在最薄弱点形成。基体在该裂纹处停止承载载荷，导致承载能力下降。然而，由于纤维的桥接作用，主裂纹的扩展减缓，载荷恢复。应力集中在另一个薄弱点，直到出现第二条裂纹。这个过程重复进行，新的细裂纹不断在试件表面形成，表现出多次裂纹行为。应力-应变曲线向上波动，直到不再产生新的裂纹。在裂纹扩展过程中，纤维的拔出或断裂会伴随着轻微的嘶嘶声。第三阶段：应变软化阶段——随着应变的进一步增加，应力不再达到峰值，而是逐渐下降。在测量长度内不再形成新的裂纹，主要裂纹的桥接能力逐渐减弱，最终完全穿透，导致试样失效。纤维要么从基体中被拔出，要么断裂，同时伴随着明显的撕裂声。3.3.2. 裂纹控制能力裂纹宽度和数量是关键特征，因为它们显著影响材料的耐久性。狭窄的裂纹可以显著降低ECCs的透水性，从而提高结构的耐久性[28]。ECCs的裂纹模式如图10所示，详细的裂纹信息总结在表8中。裂纹宽度使用精度为10 μm的光学显微镜进行测量。图11展示了不同混合比例的ECCs的详细裂纹宽度数据。图10. ECC试样的裂纹模式。表8. HF-ECC试样的裂纹信息。图11. 不同混合纤维比例的ECCs的裂纹信息。从表8和图11可以看出，用GPA替代石英砂后，ECC的平均裂纹宽度减少了20.6%，裂纹数量增加了21%。这表明GPA的“缺陷”效应明显，有效地诱导了多裂纹的稳态发展。当钢纤维部分替代PE纤维时，裂纹宽度进一步减小，有利于提高聚合物骨料ECC的耐久性。此外，混合钢纤维后，聚合物骨料ECC试样的裂纹数量减少。然而，即使只有1%的PE纤维被钢纤维替代，ECC混合物仍然保持多裂纹行为。因此，含有混合纤维的ECC可以更好地控制裂纹扩展。不过，如果替代过多的PE纤维，可能会出现钢纤维分布不均匀和重叠等副作用。因此，混合物S2.0P0显示出最少的裂纹数量和最大的平均裂纹宽度。3.3.3. 抗拉应力-应变曲线可以从抗拉应力-应变关系中确定ECC的初始开裂应力、极限抗拉应力和抗拉应变能力，如图12所示。此外，ECC的抗拉模量可以从曲线的弹性阶段的斜率计算得出。六组试样的抗拉参数总结在表9中。图12. 各混合比例试样的应力-应变曲线。表9. 各混合比例试样的抗拉性能。如图12所示，所有ECC混合物都表现出明显的应变硬化行为。用GPA替代石英砂后，极限抗拉应力降低，主要是由于GPA的引入降低了ECC的基体韧性。当部分PE纤维被钢纤维替代时，聚合物骨料ECC的应变能力趋于降低（见图12a–e）。图13a展示了不同混合纤维比例的聚合物骨料ECC的抗拉性能。如图13a和表9所示，聚合物骨料ECC的抗拉强度和初始开裂强度分别在6.20至7.95 MPa和3.72至5.68 MPa之间，随着钢纤维含量的增加而波动。另一方面，由于钢纤维含量不超过1%，S0P2.0、S0.5P1.5和S1.0P1.0的应变能力分别为5.32%、5.04%和5.48%。在这些情况下，聚合物骨料ECC的应变能力并未因PE纤维体积的减少而受到负面影响。然而，当1.5%的PE纤维被钢纤维替代时，S1.5P0.5的应变能力显著降低至3.01%，而S0P2.0、S0.5P1.5和S1.0P1.0三组的应变能力均保持在5%左右。此外，加入钢纤维后，ECC的模量从S0P2.0的19.83 GPa增加到S2.0P0的27.34 GPa，如图13b所示。钢的模量约为220 GPa，远高于PE纤维和ECC基体的模量，这有助于提高添加钢纤维后ECC的模量。混凝土中相对较高的模量反映了材料在加载后的更强抗变形能力，有利于提高结构构件的刚度。总之，在含有PE和钢纤维的聚合物骨料ECC中，S1.0P1.0表现出最高的应变能力。图13. 不同混合纤维比例的ECC的抗拉性能。(a) 不同混合比例试样的抗拉性能。(b) 不同混合比例试样的抗拉模量。3.4. 显微形态聚合物骨料（GPA）与水泥基体之间以及石英砂与水泥基体之间的界面区域的微观结构分别如图14a和图14b所示。图14. (a) 400×和2000×放大倍数下的聚合物骨料与水泥基体之间界面过渡区的BSE图像；(b) 2000×和4000×放大倍数下的石英砂与水泥基体之间界面过渡区的BSE图像。与石英砂相对较低的反应性不同，聚合物骨料可以与水泥基体发生化学反应。这些反应产生的水化产物在骨料和基体之间的界面过渡区积累，导致界面相对不明显。由于碱含量保持在12%，碱度并不过高，使得聚合物骨料中的未反应粉煤灰颗粒成为区分骨料和水泥基体的特征。在400×放大倍数的BSE（背散射电子）观察中，聚合物骨料与水泥基体之间的界面过渡区难以区分。当放大倍数增加到2000×时，界面过渡区变得清晰可见。聚合物骨料的表面显示出许多蜂窝状孔隙。值得注意的是，具有24.6%的高24小时吸水能力的多孔GPA在ECC基体内有效地起到了内部固化剂的作用。在预湿过程和混合过程中，这些孔隙吸收并保留了大量水分。随着周围水泥基体的水化进行和内部相对湿度的下降，GPA缓慢释放这些储存的水分。这种内部固化机制促进了连续的二次水化反应，减轻了自收缩，从而进一步密实了界面过渡区（ITZ）并加速了强度的发展。在聚合物骨料与水泥基体之间的界面过渡区观察到一个类似凝胶的反应区，可能由部分溶解的粉煤灰颗粒与水泥中的氢氧化钙之间的二次反应形成。相比之下，石英砂与水泥的反应性较差，仅被水泥浆包裹，导致边界清晰可见。在2000×放大倍数的BSE观察中，石英砂与水泥基体之间的界面过渡区非常明显，该区域的裂纹间隙比聚合物骨料与水泥基体在同一放大倍数下的间隙更大。由于石英砂等硅质骨料与水泥孔溶液之间的离子交换[29]，即使放大倍数增加到4000×，在石英砂与水泥基体之间也没有观察到类似凝胶的反应区。此外，石英砂骨料周围存在许多微裂纹，可能是由于石英砂与水泥基体之间的粘结强度较弱。图15a中的SEM图像显示，钢纤维仅从基体中拔出，而PE纤维则表现出拔出和表面分层。图15a,b表明钢纤维和PE纤维都覆盖有水化产物，表明纤维/基体界面有很强的粘结。图15c,d展示了PE纤维在拔出过程中被基体划伤后的表面形态。硬化基体的致密微观结构以及高强度混合物通常导致纤维/基体界面有很强的粘结。在这种条件下，由于钢纤维的刚度相对较高，拔出后经常观察到小的基体碎片附着在钢纤维上。相比之下，基于聚合物的纤维通常刚度较低；因此，除了附着碎片外，这些纤维表面还会有划痕。图15. 纤维的SEM图像。进一步观察纤维拔出形态和界面过渡区（ITZ）揭示了GPA-ECC系统的微观力学协同作用。聚合物骨料（GPAs）的多孔结构不仅不是弱点，反而有效地起到了“微观人工缺陷”的作用。这些分布的缺陷局部降低了基体的裂纹起始韧性，从而引导应力引发稳态多裂纹而不是灾难性的局部失效。此外，SEM图像展示了混合纤维促进的明显跨尺度桥接机制。高度柔性的PE纤维表现出广泛的纤维化和摩擦拔出，这在微裂纹水平上消散了大量断裂能量。同时，刚性的钢纤维在ITZ内提供了强大的机械锚固和紧密的基体粘结，有效抵抗宏观裂纹的扩展。这种协同的“缺陷诱导和跨尺度纤维桥接”机制从根本上解释了混合复合材料（例如S1.0P1.0）优异的宏观延展性和应变硬化行为。4. 材料的可持续性评估使用MSI评估了ECCs的经济和环境影响，包括材料成本和碳足迹。碳足迹包括与材料生产相关的所有CO2排放，涵盖提取、加工和燃料燃烧等阶段。表10总结了ECCs原材料的MSI值。鉴于聚合物骨料大多被堆存且未得到合理再利用，其作为固体废物的价格通常非常低，可以忽略不计，而其CO2排放和能耗假设为零。应当明确指出，将聚合物骨料的内在材料成本和CO2排放视为零是基于它直接作为工业固体废物使用的假设。这种计算边界没有考虑潜在的额外工业规模后处理能耗，超出了本研究中已经量化的实验室规模激活和破碎程序。表10. ECC组分的成本和CO2排放。图16分析和量化了三种ECC类型的成本和总碳足迹（Mtotal），具体计算公式如下：Mtotal = ∑Mi × Fi (1) 图16. SS100G0、S0P2.0和S1.0P1.0的MSI比较：(a) 成本；(b) CO2排放。Mi表示ECC中第i种原材料的单位质量CO2排放或价格，如表10所详述；Fi表示第i种原材料的消耗量。尽管在机械测试中研究了六种不同的混合比例，但S1.0P1.0混合物被选为图16中综合可持续性比较的代表性混合组。这种选择逻辑主要是因为S1.0P1.0组在机械性能上表现出最佳平衡，在所有测试的混合配方中实现了最高的抗压强度（88.3 MPa）同时保持了优异的极限抗拉应变（5.48%）。图16a比较了SS100G0、S0P2.0和S1.0P1.0的成本。SS100G0的成本为5732 RMB/m3，而聚合物骨料ECC（S0P2.0）和混合纤维聚合物骨料ECC（S1.0P1.0）的成本较低。从图中可以看出，PE纤维是ECC中最昂贵的成分。尽管其体积分数很小，但PE纤维占总成本的75%以上。S0P2.0的成本低于SS100G0。通过加入成本较低的钢纤维，S1.0P1.0的成本从5344 RMB/m3进一步降低到3182 RMB/m3。图16b展示了不同ECC混合物的CO2排放。SS100G0的CO2排放高达547kg/m3，相当于传统混凝土的160%。相比之下，S1.0P1.0表现出显著更好的环境性能，CO2排放为520 kg/m3，减少了5%。水泥是ECCs中CO2排放的主要来源，占总排放的84%。为了更全面地评估材料的成本效益和环境效益，进行了性能-成本-碳比较。引入了两个全面的可持续性指标：单位抗压强度的成本（人民币/立方米·兆帕）和单位抗拉应变能力的二氧化碳排放量（千克/立方米·百分比）。通过将经济和环境负担与实际的机械性能进行标准化，可以更清晰地评估材料的整体效率。具体来说，混合纤维地质聚合物骨料ECC（S1.0P1.0）由于其显著降低的单位成本（3182人民币/立方米）和强大的抗压强度（88.3兆帕），在单位抗压强度方面具有很高的竞争力。同样，在环境影响方面，S1.0P1.0表现出极低的单位抗拉应变二氧化碳排放量，表明它在实现优异的延展性（5.48%）时产生的碳排放量大大减少。这一全面分析强烈证明了S1.0P10混合物不仅在绝对意义上更便宜、更环保，而且从性能驱动的角度来看也具有很高的成本效益和低碳特性，从而突显了其在可持续工程应用中的巨大潜力。

5. 结论
本研究通过使用地质聚合物作为替代骨料，并将钢纤维与PE纤维混合，成功开发出一种经济且环保的工程水泥基复合材料（ECC）。主要结论总结如下：
(1) 添加地质聚合物骨料导致ECC的抗压强度和抗弯强度均有所降低。另一方面，当钢纤维的体积分数为1%时，ECC的抗压强度和抗弯强度有所提高。所开发的ECC的抗压强度超过了80兆帕，符合高强度混凝土（抗压强度大于C50的混凝土）的最低要求。
(2) 当钢纤维部分替代PE纤维时，且钢纤维的体积分数在1%以内时，ECC混合物的抗拉强度和应变能力与仅含PE纤维的ECC相当。然而，当加入1.5%的钢纤维时，应变能力显著下降（从5.48%降至3.01%）。此外，随着钢纤维含量的增加，ECC混合物的抗拉模量也有所提高。
(3) MSI分析表明，使用地质聚合物作为骨料并混合钢纤维和PE纤维的设计ECC，与传统ECC相比，有效降低了成本和二氧化碳排放量。这有助于混凝土材料的低碳发展。