废玻璃粉对超高性能混凝土抗弯性能的影响：力学测试、微观观察及损伤演化

《Journal of Cleaner Production》：The effect of waste glass powder on the flexural behavior of ultra-high performance concrete:Mechanical testing, microscopic observation, and damage evolution

废玻璃粉末（WGP）掺量及粒径对超高性能混凝土（UHPC）抗弯性能的影响研究。通过声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术监测损伤演化，结合背散射电子显微镜（BSEM）分析微观结构。结果表明：大粒径WGP（D50=36.931μm）显著降低UHPC的强度、刚度和韧性；25%掺量小粒径cWGP（D50=9.064μm）提升抗弯强度5.69%，AE信号表明纤维-基体界面失效减少，基体韧性增强。

　　本研究聚焦于废玻璃粉（WGP）在超高性能混凝土（UHPC）中的应用，旨在探索其对材料弯曲性能的影响以及纤维-基体界面的强化机制。随着全球对可持续发展和绿色建筑材料的重视，WGP作为一种工业副产品，因其环境友好性和成本优势，逐渐成为替代传统水泥和硅灰（SF）的重要材料。然而，如何科学地评估WGP在UHPC中的作用，特别是在弯曲载荷下的动态增强过程，仍然是一个值得深入研究的课题。

在UHPC领域，材料的优异机械性能和耐久性使其在大型桥梁、海上平台等复杂工程结构中得到了广泛应用。然而，由于UHPC通常具有极低的水灰比（w/b）和高水泥含量，其微观裂缝的扩展缺乏有效的能量耗散机制，导致材料表现出明显的脆性特征。这种脆性特性在大型跨度结构中尤为关键，因为结构在承受弯曲载荷时，裂缝的快速扩展可能对整体性能造成严重影响。因此，如何提高UHPC的韧性，成为提升其工程应用价值的关键问题。

为解决这一问题，研究人员通常采用两种策略：纤维增强和混合比例优化。纤维增强通过在基体中引入纤维，建立连续的应力传递链，从而改善材料的韧性。研究表明，纤维能够桥接C–S–H凝胶界面和宏观裂缝，优化载荷分布，使材料的失效模式从脆性断裂转变为延性断裂。其中，钢纤维因其高弹性模量和良好的刚度匹配性，被广泛用于增强UHPC的韧性。然而，纤维增强方法也存在一定的局限性，例如过量纤维的加入会严重影响UHPC的工作性，同时纤维与基体之间的粘结性能也难以充分发挥。

另一方面，混合比例优化则通过引入多种掺合料来改善材料的性能。例如，硅灰因其极细的粒径和高火山灰活性，常被用于增强UHPC的强度和密实度。硅灰不仅能够填充水泥颗粒之间的空隙，促进凝胶的形成，还能通过二次水化作用进一步提升材料性能。然而，硅灰的使用也面临一些挑战，其纳米级的粒径和高表面能容易导致团聚，形成未填充的弱区，从而限制了材料性能的进一步提升。因此，许多研究开始探索将硅灰与其他掺合料（如WGP）结合使用，以实现更好的性能协同效应。

WGP作为一种常见的掺合料，在UHPC中的应用展现出独特的潜力。首先，WGP是一种工业副产品，具有显著的环境和经济优势。其研磨能耗仅为水泥的十分之一，且成本仅为硅灰的五分之一，这使得WGP在成本控制和碳排放减少方面具有明显优势。此外，WGP的颗粒尺寸分布特性使其能够有效填充水泥与硅灰之间的空隙，从而提升基体的密实度。同时，WGP的硅酸盐成分与水泥相似，具备一定的火山灰活性，能够在碱性条件下与硅灰的水化反应协同进行，共同促进C–S–H凝胶的形成，提高材料的密实性和强度。

已有研究表明，WGP与硅灰的协同作用能够显著改善UHPC的性能。例如，Liu等人（2025b）将25%的硅灰替换为WGP，发现WGP与硅灰的协同水化效应促进了硅灰的持续溶解，从而实现了压缩强度的最大提升。Bao等人（2023a）则将20%的硅灰和水泥替换为WGP，观察到纤维拔出能量显著增加，表明WGP对纤维-基体界面的强化作用明显。AlAteah等人（2023）发现，在最优的硅灰/WGP比例（3:1）下，协同水化效应能够显著提升混凝土的长期强度。这些研究为WGP在UHPC中的应用提供了坚实的理论基础，也表明WGP在物理填充、火山灰活性和界面改性方面具有多方面的优势。

然而，目前的研究大多集中在单一机械参数上，缺乏对WGP与硅灰协同作用下材料动态增强过程的系统性分析。特别是，在弯曲载荷作用下，WGP对材料内部微裂纹的产生和扩展，以及纤维-基体界面的破坏机制，仍然存在较大的研究空白。此外，传统的测试方法难以实时捕捉材料的损伤演化过程，导致对WGP-SF协同增强机制的理解不够深入。因此，本研究采用了一种结合声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术的非破坏性监测方法，对WGP-UHPC在弯曲载荷下的内部损伤演化过程进行实时跟踪，从而揭示其增强机制。

声发射技术能够捕捉材料内部裂纹扩展过程中产生的波形信号，为材料的损伤演化提供直观的动态信息。而数字图像相关技术则通过分析表面应变场的变化，精确地表征裂纹的扩展路径和形态。两者的结合为材料的失效过程提供了从微观到宏观的全面监测手段，能够同步追踪内部微裂纹的形成与扩展，以及表面应变的变化。本研究中，通过对AE能量参数、RA-AF分析和峰值频率聚类的综合分析，结合DIC应变场的变化，揭示了WGP对材料裂纹模式转变和纤维-基体界面强化的影响。

研究结果表明，大粒径的WGP（D50=36.931 μm）会显著降低材料的弯曲强度、刚度和韧性。这可能是由于大粒径的WGP在基体中难以充分填充空隙，导致材料内部出现更多的缺陷，从而降低其整体性能。相比之下，小粒径的cWGP（D50=9.064 μm）在25%的掺量下表现出优异的填充效果和火山灰活性，使材料的弯曲强度比对照组提高了5.69%。这表明，小粒径的WGP能够更有效地改善基体的密实度和强度，从而提升材料的韧性。

此外，AE信号的分析进一步揭示了WGP对材料韧性的影响。在cWGP25样品中，剪切裂纹信号的比例显著降低至33.14%，这为材料基体韧性的增强提供了直接证据。同时，与对照样品相比，cWGP25样品的AE信号显示出纤维脱粘和摩擦信号的减少，以及基体裂纹信号的显著增加。这种信号的变化表明，cWGP的加入不仅改善了基体的均匀性，还增强了纤维-基体界面的粘结性能，从而提升了材料的整体韧性。

在材料的失效模式方面，研究发现所有样品均表现出主裂纹的斜向扩展，这可能与弯曲-剪切复合应力状态有关。然而，aWGP75样品的失效模式以单一主裂纹为主，而其他样品则同时表现出主裂纹和次级微裂纹。这一现象表明，高掺量的WGP可能会导致材料内部出现更多的薄弱区域，从而影响其韧性表现。相比之下，低掺量的cWGP则能够有效提升材料的韧性，使其在弯曲载荷下表现出更复杂的裂纹发展模式。

研究还发现，WGP的引入能够优化纤维-基体界面的结构，从而提升材料的韧性。cWGP的加入使得纤维-基体界面的粘结性能显著增强，这在加载-位移曲线中表现为更明显的位移硬化阶段和更平缓的位移软化阶段。这种界面粘结性能的提升确保了在弯曲载荷下，基体能够更有效地将应力传递给纤维，使纤维在材料失效过程中发挥更大的桥接作用。同时，这种应力传递机制也诱导了两个关键的增强效应：裂纹扩展路径的改变和能量耗散效率的提高。

通过本研究，我们不仅揭示了WGP对UHPC弯曲性能的影响机制，还进一步探讨了其在纤维-基体界面强化中的作用。研究结果表明，WGP的合理掺量和粒径选择能够有效提升UHPC的韧性，同时降低其碳排放和成本。这些发现为绿色、高韧性UHPC材料的开发提供了重要的实验依据，特别是在大型跨度结构中，这种材料的性能优势尤为显著。

此外，本研究还强调了非破坏性监测技术在材料性能评估中的重要性。声发射和数字图像相关技术的结合，为材料的损伤演化提供了更全面的视角，使得研究人员能够更深入地理解WGP与硅灰协同作用下的增强机制。未来的研究可以进一步探索不同粒径和掺量的WGP对材料性能的综合影响，以及如何通过优化掺合料配比，实现UHPC性能的最大化提升。同时，也可以结合其他先进的测试方法，如X射线断层扫描或扫描电镜，以更全面地揭示材料内部的结构变化和损伤演化过程。

总之，本研究通过系统分析WGP对UHPC弯曲性能的影响，结合非破坏性监测技术，揭示了其在提升材料韧性方面的潜力。这些研究成果不仅为绿色建筑材料的开发提供了新的思路，也为UHPC在复杂工程结构中的应用提供了理论支持和实践指导。