《Journal of Building Engineering》：Performance evaluation of steel fiber reinforced waste glass powder concrete after elevated temperatures
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混凝土中掺入1%钢纤维和不同比例（5%、10%、15%）废玻璃粉（WGP）的耐高温性能研究。实验表明，WGP替代水泥可提升常温抗压强度（10%时+9.19%，15%时+29.50%），但超过400℃后玻璃软化引发热不相容，导致强度退化；钢纤维通过裂纹桥接机制有效抑制损伤扩展，使700℃混凝土内部损伤率从57.97%降至49.18%。微观分析（SEM/TGA）揭示了WGP火山灰效应与玻璃软化在不同温度阶段的协同作用机制。
朱宇恒|何宇洲|张娟|杜国锋|张继成
中国荆州长江大学城市建设学院，434023
摘要
本研究探讨了在20至800°C的温度范围内，添加1%钢纤维和5%、10%或15%重量比废玻璃粉（WGP）替代水泥对混凝土性能的影响。通过对混凝土在高温暴露前后的性能变化进行评估，发现随着WGP替代比例的增加，其立方抗压强度有所提高。在室温下，添加10%和15%废玻璃粉的混凝土抗压强度分别比添加5%废玻璃粉的混凝土提高了9.19%和29.50%。然而，在400°C以上时，WGP的软化会导致热不兼容性，从而降低其耐高温性能。虽然WGP可以在600°C时减缓弹性损失和内部损伤，但在更高温度下这种效果会逆转，导致混凝土的劣化程度超过普通混凝土。添加钢纤维可以有效弥补这一问题，从而在所有温度范围内保持较高的相对动态模量和最小的内部损伤。对于含有5%WGP的混凝土，添加钢纤维后，在700°C时的内部损伤程度从57.97%降低到了49.18%。此外，利用扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）在微观层面揭示了WGP和钢纤维在高温环境下的作用机制。总之，WGP和钢纤维可以作为改善混凝土耐高温性能的理想材料。
引言
如今，混凝土仍然是主要的建筑材料，也是世界上消耗量最大的人造材料[1]。水泥作为混凝土的关键胶凝成分，每生产18吨水泥大约会产生0.8吨二氧化碳[2]、[3]。随着全球水泥产量以每年2.5%的速度增长，与之相关的环境挑战也日益严重[4]、[5]。根据联合国的年度报告，废玻璃（WG）占全球固体废物处理的约7%，其中普通玻璃占最大比例。这种不可生物降解的玻璃废物不仅占用了大量的填埋空间，导致严重的土地和环境问题，还消耗大量能源并排放大量二氧化碳[6]、[7]、[8]。因此，预计将废玻璃部分替代水泥用于合成建筑材料的生产可以缓解这一问题[9]。玻璃粉（GP）作为一种火山灰材料，具有增强混凝土微观结构和改善其力学性能的作用[10]、[11]、[12]、[13]。多项研究表明，GP作为混凝土中的辅助胶凝材料具有积极效果[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。一方面，当使用比水泥更细的玻璃颗粒部分替代水泥时，表面积与体积比增加，为水泥水化产物的形成提供了更多的水化位点，从而加速了水化速率并生成更多的水化物[17]、[18]、[19]。另一方面，GP具有火山灰活性，其中大量的非晶态二氧化硅与氢氧化钙反应生成钙硅酸氢盐（C-S-H）凝胶，进一步增强了混凝土的抗压强度并改善了其微观结构[17]、[20]、[21]。此外，碱-硅反应（ASR）是影响混凝土的最有害现象之一，它表现为骨料中的活性二氧化硅与水泥浆中的碱之间的化学反应，可能导致混凝土严重损坏[22]。实际上，在用GP替代水泥的情况下，ASR膨胀现象几乎不存在[23]、[24]。
尽管已有许多关于在常温下将GP加入混凝土中的效果的研究，但关于GPC在高温下性能的研究仍然较少。未来GP混凝土的广泛应用可能会增加其暴露于高温环境的可能性[25]、[26]、[27]、[28]，这可能导致混凝土出现多种结构缺陷，包括水泥浆脱水、脆性增加、膨胀蠕变、孔隙压力增大和剥落[29]、[30]。在高温条件下，水泥浆和骨料的热性能存在显著差异。随着温度的升高，水泥浆的膨胀速度远快于骨料，这种差异膨胀会在界面区域产生瞬时应力集中。这些应力可能导致混凝土开裂[31]，这是高温环境下混凝土面临的主要问题。因此，研究玻璃粉混凝土在高温下的性能对于促进这种材料的广泛应用至关重要。
玻璃粉的火山灰活性不仅改善了其微观结构，还在高温下提高了混凝土的性能[28]。玻璃中的大量非晶态二氧化硅与水泥水化过程中产生的氢氧化钙反应生成钙氢硅酸盐（C-S-H），这是一种重要的粘结剂，可增强水泥的强度和耐久性[29]、[30]、[31]。此外，使用GP已被证明可以减轻高温下高强度混凝土的剥落现象[32]、[37]。潘等人的一项研究表明，GP对砂浆强度的影响分为两个不同的温度范围：在500°C以下，强度损失的主要原因是CH的脱水[26]。Durgun等人的研究也得出了类似结果[35]。在600°C以下，GP作为火山灰材料与混合物中的氢氧化钙反应，从而减少了与氢氧化钙分解相关的强度损失。相反，在600°C以上，含有高比例GP的样品表现出最差的性能，这可能是由于500°C至600°C之间玻璃颗粒发生变形和软化[26]、[35]。因此，GP在500°C以上的软化行为导致混凝土强度显著下降，严重限制了其在高温下的使用。
钢纤维可以有效缓解由高温引起的水泥浆收缩和膨胀以及开裂问题。它们用于增强普通混凝土在火灾或高温暴露后的力学性能，如残余强度、残余断裂能、抗剥落性和韧性[36]、[37]。在钢纤维增强混凝土（SFRC）的研究中，发现当钢纤维含量超过0.25%时，可以显著减少裂缝宽度[38]。这种效果归因于钢纤维的桥接作用，它们连接混凝土结构中的裂缝，从而减轻了热应力下的影响。在快速温度变化或高温环境下，钢纤维的加入限制了材料的体积变化行为，有效减少了混凝土内部缺陷的发生和扩展[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。因此，将钢纤维加入玻璃粉混凝土结构中有望改善500°C后性能的急剧下降，这种现象主要是由于玻璃软化造成的。同时，钢纤维的较高熔点确保了其在高温下的有效性。然而，有文献指出，当钢纤维含量超过混凝土体积的1.5%时，力学性能的改善可能变得微不足道甚至逆转[45]、[46]。此外，较高的钢纤维含量还会导致钢纤维聚集，从而减少可用面积[44]。此外，水泥和钢纤维之间的热膨胀差异越大，裂缝越容易产生[47]、[48]。向混凝土中添加1%的钢纤维不会产生任何不利影响[46]，反而可以提高其在高温下的性能。因此，本研究中选择了添加1.0%的钢纤维。
总之，GP和钢纤维都能有效提高混凝土在高温下的性能。GP通过与火山灰的化学反应改善混凝土的力学性能。相比之下，钢纤维通过在物理层面上桥接裂缝来有效减缓高温下的裂缝扩展，从而提高混凝土的力学性能。然而，当温度超过500°C时，玻璃粉达到软化点，导致强度显著下降。此时，钢纤维在高温下保持优异力学性能的特性弥补了这一不足。钢纤维和GP在常规环境下的协同效应已被证实[49]，这可能为混凝土提供更强的耐高温性能。然而，关于钢纤维增强WGPC在高温下的行为尚未有充分研究，需要进一步探讨。因此，本研究考察了WGPC在20°C至800°C范围内的性能，包括其残余强度（抗压强度和劈裂抗拉强度）。此外，还研究了WGPC的物理参数，如质量损失、外观变化和耐久性性能（包括吸水率、抗压强度和抗拉强度）。通过扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）分别对其微观形态和定量成分进行了研究，为其在各种应用（尤其是在高温环境）提供了实验和理论基础。
材料
本研究使用的混凝土制备材料包括水泥、碎石、天然砂、GP、SF、高效减水剂和水。所用水泥为普通硅酸盐水泥P.O. 42.5级，由湖北荆州水泥厂生产，其物理性能参数见表1。粗骨料为当地生产的石灰石，粒径在1mm～10mm之间，体积密度为2684 kg/m3。
高温测试现象
WGPC和普通混凝土的表观损伤模式随温度的变化规律基本相似。从图11可以看出，随着温度的升高，混凝土的颜色逐渐从深灰色变为棕黄色。当温度达到700°C时，样品大多呈灰白色。同时，混凝土表面的裂缝大小和数量也随着温度的升高而逐渐增加。
结论与未来工作
混凝土在高温下的残余力学性能是评估和修复火灾后混凝土结构的基础。本研究探讨了含有钢纤维和WGP的混凝土在高温条件下的性能。主要结论按温度阶段分类如下：
(1)常温～400°C：SEM观察表明，在此温度范围内，WGP主要通过
作者贡献声明
张继成：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。何宇洲：撰写初稿、监督、研究、数据管理。杜国锋：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。张娟：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。朱宇恒：撰写初稿、可视化、方法论、研究、数据分析
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52078052）和湖北省教育厅的科学研究项目（资助/奖励编号：Q20231301）对研究的资助。作者衷心感谢这些慷慨的财政支持。
