文|史心眼
编辑|史心眼
前言碱活化矿渣混凝土（AASC）作为一种比硅酸盐水泥（PC）更环保的混凝土粘结剂，近年来得到了深入的研究。碱活化渣混凝土表现出与传统PC混凝土（PCC）相当甚至更好的力学和耐久性性能，如更高的早期强度和在恶劣环境中的更高稳定性。
尽管AASC具有良好的前景，但它比水泥基混凝土表现出更脆的行为，这可归因于AASC具有更高的自收缩诱导微裂。这限制了AASC在需要高弯曲和拉伸能力的地区的适用性，多项研究表明，加入随机分布的钢纤维是克服碱活化渣基基体脆性的有效方法。
纤维在裂纹表面传递应力，增加裂纹扩展所需的能量，减缓裂纹的形成和扩展。纤维的裂缝桥接能力提高了复合材料的延性、断裂韧性和开裂后的承载能力。纤维桥接能力的效率很大程度上取决于纤维-基质界面键。因此，为了提高纤维的机械锚固性、抗拉强度和延展性，开发了新型的多钩端纤维。
与老一代的单钩端钢纤维（通常被称为3D纤维）不同，新型的多钩端钢纤维的特点是改进了几何形状，即在纤维的两端增加了弯曲，从而产生了双（4D）和三（5D）钩端钢纤维。有几项研究研究了拉拔行为以及新型钩端钢纤维几何形状对胶凝复合材料开裂后行为的影响。
为了更好地比较AASC和PCC混合物，使用了相同的铸造工艺。首先，将砂、细、粗骨料和粘结剂在250-L混凝土搅拌机中干拌90s。然后加入液体组分（分别为AASC和PCC的碱性溶液或水）并再搅拌2分钟。
最后加入钢纤维，并进一步延长搅拌时间至共7分钟，以使纤维在新混凝土中分布均匀。最后的混合物被倒入模具中，每种混合物制备9个直径为150mm，高度为300mm的圆柱体和3个尺寸为150mm的立方体。
为了避免样品中骨料和纤维的分离，将模具填充在单层中，并在40Hz的振动台上压实20s。浇注后24h脱模，按粘结剂类型进行固化。
PCC样品在水下（20±2°C）固化27天，AASC样品用箔纸包裹，放置在（20±2）°C、65%相对湿度的气候室内，直到测试日期。碱活化混凝土混合料应避免水下养护，以避免碱在水中的浸出作用。
通过单轴压缩下28天的抗压强度、弹性模量和应力应变响应来评估钩端钢纤维对AASC和PCC抗压性能的影响。为了保证试样表面与试验机板之间的压缩载荷分布均匀，在试验前一天对试样的上、下表面进行了研磨处理。
然后测试三个立方体和三个圆柱体，以根据EN12390-3评估28天的平均抗压强度。弹性模量是根据EN12390-13:2014（B部分）在三个圆柱体样品上确定的，另外三个圆柱体被用来研究压缩下的应力-应变响应。
采用容量为2500kN的MTS压拉试验机，在0.30mm/min的恒定加载头位移速率下，对压缩下的应力-应变行为进行了评估。在机器的上板上方有一个球形的卡槽，保证了载荷总是施加在样品表面的中心，避免了载荷偏心。
在试件两端安装4台外接线性可变差动变压器（lvdt），用于评估轴向板对板变形，并评估峰值后应力-应变响应，应变值为0.01（10‰）。
与跨中变形测量相比，板对板应变测量可以在峰前区域获得更高的应变值，尽管它不受试样表面裂纹的干扰。这样可以更好地读取峰后下降分支，其中钩端钢纤维对压缩响应的影响更为明显。因此，本研究选择轴向板到板的变形测量。
抗压强度和弹性模量在0%、0.25%、0.50%和0.75%纤维体积分数下，3D、4D和5D纤维增强AASC的立方体和圆柱形试样的平均抗压强度和弹性模量。无论纤维的几何形状和体积分数如何，与参考的非增强混合料相比，含有钩端钢纤维的AASC混合料的立方和圆柱形抗压强度都有所提高。
然而，纤维掺入所提供的抗压强度的增加与纤维体积分数没有直接关系，因为每种纤维类型的最高纤维用量并不总是达到最高强度值。仅对于3D纤维，纤维体积分数最高的混合料在立方体和圆柱体中分别达到了55.8MPa和48.3MPa的最高抗压强度值。
对于4D和5D纤维，AASC-4D25和AASC-5D50的混合料抗压强度最高。纤维含量对不同纤维类型增强复合材料抗压强度的影响与纤维在样品中的分布和取向有关。纤维在应力方向上垂直于裂缝开口排列，由于纤维裂缝的桥接和应力传递作用，可以获得更高的抗压强度值。
随着纤维体积分数的增加，每种纤维类型的立方体和圆柱形试样的强度变化相似。AASC-5D50的立方抗压强度和柱压强度最高，分别为57.8MPa和52.6MPa，比参考混合料的强度分别提高了21.8%和28.6%。
尽管在FRAASC的立方和圆柱形抗压强度上观察到类似的趋势，但立方和圆柱形抗压强度相关的转换因子因纤维几何形状而异，每种纤维类型和体积分数的立方和圆柱形抗压强度之间的相关性在补充信息中进行了评估和讨论。
不同纤维体积分数的3D、4D和5D纤维增强AASC混合料的28天平均弹性模量，钩端钢纤维的掺入提高了平面基体的弹性模量，而不考虑纤维的几何形状和体积分数。弹性模量随纤维体积分数的增加而增加，与纤维类型无关。
当钢纤维掺入体积分数达1%时，弹性模量略有增加，这可归因于纤维的高刚度和纤维与基体的强相互作用。随着纤维体积分数从0.50增加到0.75%，弹性模量下降，这可能是由于纤维的分布和取向影响了复合材料的孔隙率，从而对弹性模量产生负影响。
纤维增强碱活化混凝土的压应力-应变响应在峰值应力的40%左右为线性，与素混凝土相似，随着应力的增加，微裂纹开始形成和扩展，轻微激活了钩端钢纤维的裂缝弥合能力。
然而，无论纤维的几何形状和体积分数如何，钢纤维对应力-应变曲线的峰前上升分支的影响都很小。由于材料的不均匀性和纤维的存在，形成的孤立微裂纹开始以不可预测的方式扩展，导致几个宏观裂纹的形成。
对于未加筋混合料，一旦达到最大压应力，材料的承载能力迅速下降，导致准脆性行为，由于钩端钢纤维的横向约束效应，纤维增强混合物表现出更柔软的峰后下降分支。
压缩峰值应力增量与纤维含量变化无明显相关性，但与抗压强度变化趋势一致，相应的峰值应变随纤维体积分数的增加而增加，在纤维体积分数最高时达到最大值，与纤维几何形状无关。
体积分数为0.75%的钩端钢纤维掺入后，3D、4D和5D纤维的平面基体压缩峰值应变分别提高22.5%、28.8%和21.6%。然而，与峰值应力相对应的应变增加以及应力-应变响应的峰后下降分支的软化表明，当使用钩端钢纤维增强时，材料的延性得到了改善。
抗压强度和弹性模量不同钩端钢纤维增强PCC混合料，在不同纤维体积分数下的立方抗压强度和圆柱抗压强度。尽管PCC参考混合料的平均立方抗压强度与AASC相似，分别为49.46MPa和47.40MPa，但钩端钢纤维的掺入在两种基体类型中表现出不同的行为。
与FRAASC相比，钩端钢纤维对PCC抗压强度的影响有限。与参考混合料相比，AASC混合料的强度增幅可达21.8%（AASC-5d50），而PCC混合料的最大增幅仅为1.54%（PCC-5d75）。
与传统的PCC相比，钩端钢纤维增强的碱活性渣复合材料具有更好的结合强度。与PCC相比，AASC的收缩率更高，从而改善了纤维-基质相互作用。AASC基体的高收缩率会在纤维周围产生静水压力，从而改善纤维与基体的结合。
此外，收缩引起的微裂纹产生的应力提供了钢纤维的早期活化，从而与PCC相比改善了AASC的机械性能。
不同体积分数单端和多端钩端钢纤维增强PCC共混物28天的平均弹性模量，尽管PCC-REF的弹性模量与AASC-REF相似，分别为27.91GPa和27.58GPa，但钩端钢纤维对两种基体的影响不同。
对于AASC，弹性模量随着纤维体积分数的增加而增加，AASC-3d75的弹性模量最高，为29.96GPa，比AASC-ref高8.6%。对于PCC混合料，与参考混合料相比，钢纤维的掺入导致弹性模量降低，只有PCC-3d75混合料的弹性模量增加了1.15%。
弹性模量主要取决于粗骨料的种类和含量以及基体的抗压强度，纤维的作用较小。然而，钩端钢纤维对AASC弹性模量的影响比PCC更积极。
由于AASC和PCC混合料中粗集料的种类和数量保持不变，因此，如前所述，AASC复合材料中，挂钩端钢纤维提供的弹性模量增加可能与纤维-基体结合更强，导致复合材料抗压强度增强以及AASC基体比传统混凝土收缩更大有关。
单轴压缩应力-应变为不同体积分数的3D、4D和5D纤维增强PCC混合料的实验应力-应变曲线，并与AASC进行了直接比较。钩端钢纤维对PCC复合材料的压缩峰值应力和相应的峰值应变的影响有限，只有纤维体积分数为0.75%的混合材料的改善最小。
在纤维含量较低的情况下，与参考素混凝土相比，纤维掺入对这些参数的影响可以忽略不计，甚至是负面的。然而，在高应变值下，所有纤维类型的PCC基体的残余应力都显著增强，纤维体积分数和纤维弯曲度越高，在极限应变下的残余压应力最高，对应于应力-应变图中较软的峰后下降分支。
模型描述和校准现有的纤维增强混凝土单轴压缩应力应变预测模型，不适用于单端和多端钩端钢纤维增强的PCC和AASC。这是因为这些模型是使用有限数量的实验数据推导和校准的，它们严格依赖于所研究的纤维类型、剂量和基体强度。
此外，现有的模型大多基于单一方程，忽略了钢纤维掺入对压应力-应变曲线峰前和峰后响应的影响差异，这提供了在峰前和峰后阶段压缩行为的高估。
纤维体积分数为0.75%时，普通AASC和3D、4D、5D纤维混合料的试验应力-应变曲线，以及将所建立的模型应用于碱活化混凝土的预测曲线。建立的模型可以较准确地预测碱活化渣基混凝土的响应。
然而，由于这些模型没有考虑纤维掺入的影响，所有模型都无法预测单端和多端钩端钢纤维掺入的AASC峰后行为。
为此，提出了一种新的解析模型，该模型通过两个解析表达式来描述应力-应变曲线的归一化上升和下降分支。在本文提出的模型中，峰后下降分支采用指数衰减方程建模，该方程过去常用于描述非钢筋混凝土的开裂后软化行为。
本研究通过实验研究了，单钩端钢纤维和多钩端钢纤维（即3D、4D和5D）在不同体积分数（最高0.75%）下的碱活化渣基混凝土的压缩性能。
比较了钢纤维增强AASC与相同纤维类型和掺量的相同强度等级硅酸盐水泥混凝土的性能，最后，利用PCC、钢纤维增强PCC和AASC的压应力-应变曲线，提出并校准了预测FRAASC钢在单轴压缩下压缩响应的解析模型。
无论纤维几何形状如何，单端和多端钩端钢纤维的掺入为AASC提供了比PCC更高的抗压强度增量（AASC-5d50最大21.8%）（PCC-5d75最大1.5%）。
单端和多端钢纤维对AASC和PCC弹性模量的影响有限，最大增量可达3MPa。然而，在AASC中掺入纤维的弹性模量增加（AASC-3d75的最大值为8.7%）比PCC混合料（PCC-3d75的最大值为1.2%）更高。
此外，由于缺乏包含4D和5D钢纤维的AASC和PCC的大量数据集，因此在提出的模型中没有考虑纤维几何形状的影响。有了更广泛的可用数据集，这个假设可能会被重新审视。
参考文献
1.《碱活化材料的研究进展》，2014年
2.《地聚合物及相关碱活性材料》，2014年
3.《碱活化矿渣混凝土的研究进展》，2021年
4.《碱活化混凝土力学性能研究进展》，2016年
5.《钢纤维混杂增强粉煤灰-渣混合混凝土的性能》，2021年
