專家介紹

張鵬，鄭州大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，鄭州大學(xué)水工結(jié)構(gòu)與材料研究所所長(zhǎng)、鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院教授委員會(huì)主任、河南省特聘教授、河南省杰出青年基金獲得者、鄭州大學(xué)學(xué)科特聘教授。曾榮獲河南省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、中原水利英才、寶鋼優(yōu)秀教師、河南省文明教師、河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、河南省高?？萍紕?chuàng)新人才、河南省高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽(yù)稱號(hào)。兼任中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)土木工程分會(huì)理事及其他多個(gè)專業(yè)委員會(huì)委員，兼任多個(gè)英文SCI期刊和《水電能源科學(xué)》《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)》等中文期刊編委或青年編委。主要從事新型綠色水工材料及其結(jié)構(gòu)性能研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)及其他省部級(jí)科研項(xiàng)目近20項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文220余篇，其中ESI熱點(diǎn)和高被引論文14篇，出版專著8部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，獲教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。

摘 要：混凝土的斷裂性能直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。研究裂縫在混凝土中的擴(kuò)展規(guī)律，是分析混凝土斷裂性能的基礎(chǔ)。具有非均質(zhì)和非線性特性的混凝土是一種多相材料，在其內(nèi)部存在大量初始裂縫，因此混凝土的斷裂機(jī)理十分復(fù)雜，影響因素頗多。目前，普通混凝土斷裂性能的分析方法比較成熟，針對(duì)混凝土的非線性特性已經(jīng)建立了兩類模型：便于數(shù)值分析的縫面軟化模型和便于解析計(jì)算的等效彈性裂縫模型。此外，地聚合物是一種低碳環(huán)保的建筑材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐久性能和耐高溫性能。因此，對(duì)于地聚合物復(fù)合材料（geopolymer composite，GPC）的斷裂性能研究是推廣其工程應(yīng)用的必要前提。

地聚合物與普通混凝土具有相似的脆性，研究者們基于普通混凝土斷裂力學(xué)的分析方法，開(kāi)展了GPC斷裂性能的研究。本綜述梳理了混凝土斷裂力學(xué)發(fā)展歷程，概括了GPC性能的主要影響因素，總結(jié)了原材料組成、堿激發(fā)劑和纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響，并對(duì)GPC斷裂性能的未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué)；地聚合物復(fù)合材料；斷裂性能；影響因素

中圖分類號(hào)：TU528" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.001

A review on the fracture properties of geopolymer composites

Abstract：The fracture performance of concrete directly affects the safety and durability of the structure.The study on the law of crack propagation in concrete is the basis of analyzing the fracture performance of concrete.The fracture mechanism of concrete is very complicated and there are many influencing factors because concrete is heterogeneous，non-linear，polyphase，and has multiple initial cracks.At present，the fracture performance analysis method of ordinary cement concrete is relatively mature.According to its nonlinear characteristics，cohesive crack models and equivalent elastic fracture models have been established.Geopolymer is a kind of low-carbon and environmentally friendly building material with excellent mechanical properties，durability and high temperature resistance.Researchers carried out a study on the fracture properties of GPC based on the analytical methods of fracture mechanics of ordinary concrete.In this review，the development history of concrete fracture mechanics and the main factors affecting GPC properties are summarized.In addition，the factors affecting fracture properties of GPC are reviewed respectively，including raw material composition，alkali activators and fibers.Furthermore，the future work on the fracture properties of GPC is recommended.

Key words：fracture mechanic；geopolymer composite；fracture property；affecting factor

混凝土因其優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能、良好的工作性能，以及低廉的價(jià)格而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，成為目前世界上用途最廣、用量最大的建筑材料之一[1]。然而，水泥作為傳統(tǒng)混凝土的膠凝材料，其“兩磨一燒”的生產(chǎn)工藝需要消耗大量能量和自然資源，并排放大量二氧化碳，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境[2]。因此，開(kāi)發(fā)低碳環(huán)保的膠凝材料替代傳統(tǒng)水泥，對(duì)節(jié)約自然資源、保護(hù)自然環(huán)境，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”具有重要意義。

近年來(lái)，地聚合物被認(rèn)為是一種具有巨大應(yīng)用潛力的綠色低碳膠凝材料，引起了全球眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]。地聚合物的概念最早由法國(guó)學(xué)者DAVIDOVITS于20世紀(jì)70年代提出[4]，地聚合物是由富含硅鋁（鈣）的天然礦物或工業(yè)副產(chǎn)品通過(guò)堿性溶液激發(fā)制備而成的，生產(chǎn)過(guò)程中避免了水泥生產(chǎn)的“兩磨一燒”工藝，有利于節(jié)能減排。研究結(jié)果表明，地聚合物替代水泥作為膠凝材料，可減少73%的CO2排放和43%的能源消耗[5]。此外，地聚合物復(fù)合材料（geopolymer composite，GPC）與普通硅酸鹽水泥基復(fù)合材料（ordinary portland cemetitious composite，OPC）類似，具有優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能，而且，GPC由于其高堿性的制備環(huán)境和穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出早期強(qiáng)度高、耐久性好、耐高溫和耐腐蝕性能強(qiáng)等特性[6]。

盡管具有廣闊的應(yīng)用前景，但GPC與OPC一樣具有較大的脆性[7]。在施工和服役過(guò)程中，GPC不可避免地要承受靜、動(dòng)荷載而產(chǎn)生裂縫。斷裂性能是描述材料抵抗裂縫擴(kuò)展能力的重要指標(biāo)，與材料或結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性直接相關(guān)。因此，除了強(qiáng)度發(fā)展，深入了解GPC的斷裂性能也是保障其在實(shí)際結(jié)構(gòu)中安全應(yīng)用的前提。近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究GPC的斷裂特性，并取得了豐碩的成果，圖1為本綜述統(tǒng)計(jì)的自2008年以來(lái)中外學(xué)者們發(fā)表的相關(guān)研究論文數(shù)量。

可以發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)對(duì)于GPC斷裂性能的研究成果逐漸增多，尤其是從2020年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于GPC斷裂性能的關(guān)注顯著增加。然而，相較于對(duì)OPC斷裂性能的系統(tǒng)研究，對(duì)于GPC斷裂性能的研究尚不完善?；诖?，本綜述梳理了GPC斷裂性能的測(cè)試方法、評(píng)價(jià)參數(shù)，以及GPC斷裂性能的影響因素，并總結(jié)了GPC斷裂力學(xué)的發(fā)展歷程和研究方法，探究了GPC性能的主要影響因素，可為GPC的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 GPC研究進(jìn)展

1.1 地聚合物的制備

地聚合物（又稱堿激發(fā)膠凝材料）是通過(guò)激發(fā)富含硅鋁（鈣）的礦物原材料制備而成的。隨著研究的深入，硅鋁酸鹽的原料來(lái)源已從偏高嶺土（metakaolin，MK）等天然礦物擴(kuò)展到粉煤灰（fly ash，F(xiàn)A）、煅燒煤矸石、廢玻璃、?；郀t礦渣（ground granulated blast furnace slag，GGBFS）、天然火山灰、稻殼灰（rice hush ash，RHA）和棕櫚油燃料灰（plam oil fuel ash，POFA）等工業(yè)副產(chǎn)品[8]。此外，堿激發(fā)劑也從氫氧化物（NaOH、KOH）或硅酸鈉溶液擴(kuò)展到碳酸鹽、硅酸鹽、鋁硅酸鹽、磷酸鹽、堿金屬氟化物和廢基水玻璃[9]。其中，F(xiàn)A和GGBFS因具有良好的活性和相對(duì)穩(wěn)定的性能而受到廣泛關(guān)注；NaOH與硅酸鈉的混合溶液也因其良好的激發(fā)效果而受到廣泛應(yīng)用[10]。然而，這種復(fù)合活化劑仍然存在一些缺陷，如黏度較高、和易性差、價(jià)格昂貴、腐蝕性強(qiáng)等[11]?；诖?，一些研究人員采用硅粉和NaOH來(lái)替代NaOH和硅酸鈉的混合物，以制備活化劑，最終取得了良好的效果[12]。同時(shí)，一些關(guān)于單組分地聚合物復(fù)合材料的研究也正在進(jìn)行[13]。單組分地聚合物是一種由硅鋁酸鹽材料和活化劑制成的粉末產(chǎn)品，在使用時(shí)只需加水即可，可有效解決傳統(tǒng)雙組分地聚合物（液體活化劑）黏度高、操作不便、運(yùn)輸成本高等缺點(diǎn)。

1）澆注法：這是應(yīng)用最廣泛的制備方法，與傳統(tǒng)的水泥混凝土制備工藝相同，由于該制備方法要求漿料具有良好的流動(dòng)性，因此，制備時(shí)需要添加更多的水，用水量通常占膠凝材料總質(zhì)量的20%～40%[14]。

2）模壓成型法：該方法將硅鋁酸鹽固體材料與堿性活化劑溶液混合，在攪拌后，將混合物在5～

10 MPa條件下壓制成型，最終獲得較高強(qiáng)度[15]，該方法更適用于預(yù)制工藝。

3）熱壓技術(shù)：該技術(shù)同時(shí)包括加熱和加壓工藝，以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得很高的機(jī)械強(qiáng)度，通過(guò)這種方式，可以形成更致密的地聚合物基質(zhì)[16]。

除上述3種方法外，還有一些學(xué)者采用超聲輔助法、微波輔助法等其他輔助方法來(lái)優(yōu)化地聚合物材料的制備工藝[17]。

1.2 地聚合物反應(yīng)機(jī)理

地聚合物的反應(yīng)過(guò)程與水泥完全不同，它受前驅(qū)體（富含硅鋁鈣的礦物原材料）的種類和粒徑分布、堿濃度、堿激發(fā)劑摩爾比、固化溫度等的影響。對(duì)于低鈣前驅(qū)體制備的地聚合物，其反應(yīng)主要包括溶解、解聚和重構(gòu)縮聚3個(gè)階段[18]，如圖2所示。

在地聚合反應(yīng)開(kāi)始階段，硅鋁酸鹽礦物的化學(xué)鍵首先被堿激發(fā)劑溶解，前驅(qū)體被分解為硅氧四面體[SiO4]4-和鋁氧四面體[AlO4]5-單體，隨后這些單體間相互作用形成二聚體，二聚體又與其他單體反應(yīng)形成三聚體、多聚體等，它們重新排列并最終縮聚形成無(wú)定形的水合鋁硅酸鈉（N-A-S-H）凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在反應(yīng)初期，硅鋁酸鹽礦物中的Al在堿激發(fā)劑溶液中溶解速度比Si快，這導(dǎo)致了Al3+的濃度較高，因此形成了富含鋁的亞穩(wěn)態(tài)N-A-S-H凝膠，其硅鋁比在1.0至1.3之間，這種凝膠隨后沉淀并形成中間產(chǎn)物[19]。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，更多的硅氧基團(tuán)會(huì)溶解，導(dǎo)致溶液中四價(jià)硅離子（Si4+）濃度增加，也增加了其在N-A-S-H凝膠中的比例（Si/Al≈2），最終形成了由二氧化硅-氧化鋁骨架和金屬陽(yáng)離子平衡電荷組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。然而，通過(guò)高鈣鋁硅酸鹽原料（礦渣粉、高鈣粉煤灰等）制備的地聚合物含有兩種水合產(chǎn)物，即水合鋁硅酸鈉（N-A-S-H）和水合硅酸鈣（C-S-H）。當(dāng)C-S-H中的Si4+被Al3+取代時(shí)，C-S-H可能會(huì)轉(zhuǎn)化為鋁酸鈣硅酸鹽水合物（C-A-S-H）[20]。

此外，研究發(fā)現(xiàn)地聚合物的凝膠結(jié)構(gòu)與沸石相似[21]，不同之處在于天然沸石通常是結(jié)晶的，而地聚合物是無(wú)定形或半晶質(zhì)的，具有相對(duì)致密的介孔結(jié)構(gòu)。這一差異可能源于硅鋁酸鹽材料與堿性溶液迅速混合時(shí)的快速溶解反應(yīng)。由于凝膠沒(méi)有足夠的時(shí)間和空間來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)晶成長(zhǎng)，因此形成了微晶、無(wú)定形或半晶結(jié)構(gòu)[22]。

1.3 GPC性能的主要影響因素

1.3.1 前驅(qū)體

前驅(qū)體作為原材料，對(duì)GPC的工作性能和硬化性能起著決定性的作用。隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多的硅鋁酸鹽材料被開(kāi)發(fā)為GPC前驅(qū)體。ZHANG等[3]通過(guò)總結(jié)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，最常用的前驅(qū)體包括FA、GGBFS、MK、POFA和RHA。

LIU等[23]研究了用POFA替代FA（0～100%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）作為前驅(qū)體制備地聚合物，發(fā)現(xiàn)當(dāng)POFA的取代率為20%時(shí)，地聚合物的強(qiáng)度最高。PATEL等[24]則通過(guò)將RHA部分替代GGBFS（5%、15%和25%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在室溫養(yǎng)護(hù)下5%的替代率，以及

70℃高溫養(yǎng)護(hù)下15%的替代率可以使GPC的力學(xué)強(qiáng)度和抗裂性能達(dá)到最佳。ZHANG等[25]通過(guò)研究FA和MK的不同質(zhì)量比組合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用70% MK和30% FA時(shí)，GPC獲得最佳的力學(xué)性能。AL-RAWI等[26]使用GGBFS替代FA（0%、25%、50%、75%和100%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），研究表明增加GGBFS的含量可以顯著提升GPC的強(qiáng)度，但是會(huì)降低其流動(dòng)性。SASHIDHAR等[27] 的研究結(jié)果也支持了這一觀點(diǎn)，提高GGBFS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于提高地聚合物的抗壓強(qiáng)度，但不利于工作性能，并且隨著GGBFS用量的增加，需水量也會(huì)增加。USHAA等[28] 通過(guò)用高達(dá)30%的GGBFS和15%的硅灰替代FA來(lái)制備GPC，發(fā)現(xiàn)與硅灰相比，GGBFS具有更好的工作性能和更高的強(qiáng)度。此外，研究表明，使用單一粉煤灰作為前驅(qū)體制備的GPC通常需要高溫養(yǎng)護(hù)才能達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，而基于GGBFS的地聚合物則可以在室溫養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到較高的強(qiáng)度。

地聚合物凝膠結(jié)構(gòu)主要取決于前驅(qū)體中的鈣含量，一般分為高鈣地聚合物和低鈣地聚合物兩類。GGBFS基GPC是典型的高鈣GPC，主要由C-A-S-H相組成；低鈣體系常見(jiàn)的前驅(qū)體包括FA和MK，其地聚合物凝膠主要以N-A-S-H相為主[29]。RICHARDSON和PROVIS等[30-31]研究指出，C-A-S-H凝膠具有似托貝莫來(lái)石（tobermorite-like）結(jié)構(gòu)（Q2、Q1和Q3），而N-A-S-H凝膠則具有高度交聯(lián)的類沸石（pseudo-zeolitic）結(jié)構(gòu)（Q4）。圖3顯示了C-A-S-H和N-A-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)。研究表明，只要凝膠相的pH值保持大于12，C-S-H和N-A-S-H的組合凝膠相就能保持穩(wěn)定，并最終形成C-A-S-H凝膠的穩(wěn)定產(chǎn)物。而N-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)是電荷平衡的硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)，受Si/Al比例和堿金屬陽(yáng)離子的影響[20]。C-S-H凝膠在GGBFS等高鈣體系中占主導(dǎo)地位，不僅提高強(qiáng)度，而且促進(jìn)混凝土早期硬化和強(qiáng)度發(fā)展。

綜上所述，不同前驅(qū)體制備的地聚合物具有顯著差異。為了獲得更高的強(qiáng)度，GGBFS和FA可分別作為室溫固化和高溫?zé)峁袒闹饕膀?qū)體?；旌蟽煞N或多種原料作為前驅(qū)體可以綜合它們各自的優(yōu)點(diǎn)，從而獲得優(yōu)異的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。此外，高鈣體系中的C-S-H凝膠可以提高地聚合物的早期和最終強(qiáng)度。

1.3.2 堿激發(fā)劑

前驅(qū)體中的玻璃相在水中是惰性的，只有在堿激發(fā)環(huán)境下才表現(xiàn)出膠凝特性，是地聚合物區(qū)別于水泥的特點(diǎn)所在[33]。最常用的堿性溶液由NaOH（NH）與Na2SiO3（NS）或KOH與K2SiO3組成?？紤]到成本問(wèn)題，研究人員通常選擇鈉基堿激發(fā)劑溶液。

對(duì)于NH與NS組合的堿激發(fā)劑溶液，其NS/NH比是一個(gè)重要參數(shù)，影響著GPC的性能。根據(jù)先前大量的研究，結(jié)果表明，隨著NS/NH比值的增大，GPC的工作性變差，強(qiáng)度則先增大后減小，選取NS/NH為2.5往往能夠得到最優(yōu)的力學(xué)性能和更致密的微觀結(jié)構(gòu)[32]。當(dāng)NS/NH超過(guò)2.5時(shí)，過(guò)量的硅酸鈉會(huì)阻礙地聚合反應(yīng)，從而降低GPC的強(qiáng)度[34]。

此外，NH的摩爾濃度對(duì)GPC的性能也有顯著影響。HARDJITO等[35]研究發(fā)現(xiàn)，使用14mol/L的NH制備的GPC比使用8mol/L時(shí)的抗壓強(qiáng)度更高；而ALIABDO使用16mol/L的NH制備的GPC相比使用12、18mol/L的NH時(shí)表現(xiàn)出更高的抗壓和抗拉強(qiáng)度[36]。此外，隨著NH摩爾濃度的增大，地聚合物黏度增大，工作性變差，而強(qiáng)度先增大后減小，也就是NH的摩爾濃度存在最優(yōu)值[22]。當(dāng)NH的濃度過(guò)高時(shí)，由于稠度增大，不易將GPC拌制均勻，導(dǎo)致基體內(nèi)部缺陷增多?？偟膩?lái)說(shuō)，研究者們對(duì)于NH摩爾濃度的選擇暫時(shí)沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，但是可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值大多在12～16mol/L之間。此外，對(duì)于GGBFS基GPC，在NaOH摩爾濃度為12mol/L時(shí)更有可能獲得最好的力學(xué)性能和耐久性，而FA基GPC則需要將NaOH摩爾濃度提高至16mol/L[33]。

堿激發(fā)劑/前驅(qū)體的質(zhì)量比對(duì)應(yīng)于水泥混凝土中的水膠比（W/B），是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中最為重要的參考依據(jù)。需要說(shuō)明的是，本綜述中用“前驅(qū)體”來(lái)描述硅鋁原料，而有不少學(xué)者仍然沿用水泥體系中的膠凝材料（binder）來(lái)表述，因此，在描述堿激發(fā)劑/前驅(qū)體的質(zhì)量比時(shí)往往用AL/B（alkali activated solution/binder），本綜述也將使用該縮寫(xiě)。此外，AL為包含外加水在內(nèi)的堿性溶液總質(zhì)量。類似于水泥混凝土中的水膠比，隨著AL/B的增大，GPC的工作性提升，而強(qiáng)度和耐久性降低。ZHANG等[37]對(duì)比研究了GPC的AL/B和普通混凝土的W/B，如圖4所示，在相同的AL/B或W/B下，GPC的抗壓強(qiáng)度通常高于OPC，這表明GPC的力學(xué)性能更好。AL/B的增加意味著添加更多的水，從而降低了堿濃度，并增加了孔隙率[38-39]，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，這一趨勢(shì)與OPC的趨勢(shì)是一致的。

此外，在進(jìn)行GPC的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，有些研究人員使用W/B作為強(qiáng)度控制參數(shù)，為了避免AL/B和W/B之間的相互影響，NING等[40]建議選擇Na2O/前驅(qū)體（N/B）與W/B共同決定GPC的抗壓強(qiáng)度。圖5中顯示了N/B和W/B對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，在低W/B和高N/B的情況下，可以獲得高的抗壓強(qiáng)度。

1.3.3 骨料

除了前驅(qū)體和堿激發(fā)劑，骨料作為混凝土的重要組成部分，同樣影響著地聚合物混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性等性能。骨料的用量存在最優(yōu)值，尹明等［41］研究發(fā)現(xiàn)，地聚合物混凝土的強(qiáng)度和彈性模量隨骨料含量和砂率的增大而先增大后減小，在70%骨料含量和0.35砂率時(shí)取得最優(yōu)性能表現(xiàn)。此外，骨料的種類也是重要的影響因素。EMBONG等[42]研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖作為粗骨料比石灰?guī)r更有利于抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。

再生骨料的使用會(huì)使得地聚合物混凝土的低碳、環(huán)保特色更加突出，因此也是一大研究熱點(diǎn)。ARORA等[43]研究表明，與常規(guī)骨料相比，再生骨料的孔隙體積和含水量更大，在飽和表面干燥條件下，再生骨料提高了地聚合物混凝土的和易性[44]。混凝土的和易性隨著再生骨料摻量的增加而提高。此外，對(duì)于地聚合物混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究表明，與傳統(tǒng)混凝土相比，地聚合物與骨料間具有更好的界面過(guò)渡區(qū)特性。然而，地聚合物與再生骨料的作用與普通骨料相比仍然較差[45]。微觀結(jié)構(gòu)的差異可以很明顯地反映到宏觀性能上面，根據(jù)眾多學(xué)者的研究，隨著再生骨料摻量的增加，GPC的強(qiáng)度不斷降低[44]。而由于再生骨料在生產(chǎn)制造過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致了再生骨料GPC的吸水性增加和抗?jié)B性降低[46]。此外，盡管地聚合物有較強(qiáng)的抗硫酸侵蝕性能，但再生骨料的加入會(huì)降低GPC的抗硫酸性能，因?yàn)樵偕橇仙习鴼埩舻呐f水泥漿[47]。

輕骨料地聚合物混凝土（lightweight geopolymer concrete，LWGPC）因其高強(qiáng)度重量比、隔熱、隔音、低熱膨脹敏感性等特點(diǎn)，在大跨度結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、多震地區(qū)工程，以及需要隔熱、吸音的功能性結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用前景。輕質(zhì)骨料的來(lái)源廣泛，根據(jù)是否需要再處理，可以將其分為人工輕骨料和天然輕骨料。人工輕質(zhì)骨料有膨脹黏土、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、頁(yè)巖和板巖等；天然骨料有浮石、硅藻土、礦渣、凝灰?guī)r、棕櫚油廢物等[48]。LWGPC巧妙地融合了地聚合物和輕骨料的特點(diǎn)，與普通輕骨料混凝土相比，具有更低的導(dǎo)熱性和更好的耐熱性。一般情況下，輕骨料的表觀密度越大，骨料的強(qiáng)度就越高，王彩輝等[49]的研究證實(shí)了這一點(diǎn)，然而他們發(fā)現(xiàn)輕骨料的比強(qiáng)度并沒(méi)有隨著表觀密度的增大而顯著提升。而混凝土的強(qiáng)度是由膠凝材料基體、骨料、基體-骨料界面過(guò)渡區(qū)共同決定的，因此，CAMPIONE等[50]研究發(fā)現(xiàn)，由浮石和膨脹黏土制備的輕骨料混凝土具有與常規(guī)骨料混凝土相似的力學(xué)性能，而同時(shí)降低了結(jié)構(gòu)重量。因此，選擇合適的骨料來(lái)制備不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土可以平衡結(jié)構(gòu)重量和強(qiáng)度的需求。而在吸水率方面，由于輕骨料的加入增加了孔隙率，GPC的總吸水率增加也是合乎邏輯的。但試驗(yàn)表明，水灰比的影響更大[51]。KAYALI等[52]研究表明，LWGPC相比普通GPC能有效減緩氯離子侵入深度，這是因?yàn)檩p骨料的孔隙起到了緩沖作用。此外，骨料的類型對(duì)混凝土的導(dǎo)熱性影響很大。WONGSA等[53]研究表明，加入再生橡膠屑替代常規(guī)河砂，可以將FA基砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低5倍。

1.3.4 養(yǎng)護(hù)條件

適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)過(guò)程是確保地聚合物達(dá)到理想性能的關(guān)鍵，因此研究者們針對(duì)地聚合物的養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行了大量研究。高溫養(yǎng)護(hù)是地聚合物制備過(guò)程中經(jīng)常使用的養(yǎng)護(hù)條件，特別是對(duì)于FA基的GPC，通常需要高溫養(yǎng)護(hù)才能獲得較好的強(qiáng)度。ALIABDO等[54]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A基GPC的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著固化溫度的提高先提高后降低。而馬倩敏等[39]

研究了30～120℃下養(yǎng)護(hù)FA基地聚合物，發(fā)現(xiàn)100℃下得到最好的固化效果，而且在100℃下養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)24h后GPC的強(qiáng)度幾乎不再增長(zhǎng)。AHMED等[55]研究了60、70、90℃的固化溫度下GPC的強(qiáng)度變化，結(jié)果表明在70℃下固化的試樣具有最高的抗壓強(qiáng)度，此外他們還發(fā)現(xiàn)，高溫固化48h是不夠的，高溫固化96h才獲得了最高的抗壓強(qiáng)度。HEAH等[56]研究了MK基GPC的養(yǎng)護(hù)制度，研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的環(huán)境固化或長(zhǎng)時(shí)間的熱固化（超過(guò)3d）未能達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，最佳固化溫度為60℃，持續(xù)3d。然而，也有研究指出，最高抗壓強(qiáng)度發(fā)展較好的熱固化溫度和時(shí)間為80～100℃，10～24h[25]。這說(shuō)明，高溫養(yǎng)護(hù)并不是溫度越高越好，在過(guò)高的養(yǎng)護(hù)溫度下，試件可能因?yàn)樗值膿p失而降低強(qiáng)度。此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與養(yǎng)護(hù)溫度也有很大關(guān)系，養(yǎng)護(hù)溫度越低，所需的養(yǎng)護(hù)時(shí)間就越長(zhǎng)，而且GPC的強(qiáng)度也不是隨著高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間單調(diào)增長(zhǎng)，到達(dá)一定時(shí)間之后GPC的強(qiáng)度將緩慢增長(zhǎng)。而對(duì)于GGBFS基GPC來(lái)說(shuō)，普通室溫養(yǎng)護(hù)即可達(dá)到不錯(cuò)的強(qiáng)度，PATEL等[24]的研究表明，GGBFS基GPC在室溫養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度僅比70℃高溫養(yǎng)護(hù)的低15%。

總的來(lái)說(shuō)，GPC通?？梢酝ㄟ^(guò)長(zhǎng)時(shí)間的室溫養(yǎng)護(hù)或短時(shí)間的高溫養(yǎng)護(hù)達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，而單一FA基GPC在常溫下很難達(dá)到理想強(qiáng)度，因此需要進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)?？偨Y(jié)研究發(fā)現(xiàn)，1～3d的70～100℃高溫養(yǎng)護(hù)可以確保較好的性能，但是具體的養(yǎng)護(hù)制度需要根據(jù)不同的原材料進(jìn)行調(diào)整。

1.3.5 納米摻合料

納米材料可以通過(guò)改善孔隙結(jié)構(gòu)和促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程來(lái)提高地聚合物的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。因此，它們通常作為填料用于地聚合物制備。其中納米二氧化硅（NS）、納米二氧化鈦（NT）和納米氧化鋁（NA）受到最多的關(guān)注[57]。與OPC類似，納米材料的加入會(huì)降低地聚合物流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間，但這可以通過(guò)加入合適的緩凝劑和減水劑來(lái)改善。然而，適用于地聚合物組分的有效減水劑還需要進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)[58]。在地聚合物中加入適當(dāng)含量的納米材料可以有效提高其力學(xué)性能和耐久性。PRAKASAM等[59]研究表明，加入2%NS可以使FA/GGBFS基地聚合物強(qiáng)度得到提升。ZIDI等[60]的試驗(yàn)表明，GPC的強(qiáng)度隨著納米摻量的增加而先增大后減小，但納米粒子增強(qiáng)GPC強(qiáng)度都大于普通GPC。RAVITHEJA等[61]報(bào)道了含6%NC摻量的GPC表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能和耐久性能。因此，納米材料的分散程度是影響其提升作用的重要因素，有必要通過(guò)改變納米材料的形態(tài)和分散技術(shù)以及納米增強(qiáng)GPC的制備方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的納米增強(qiáng)技術(shù)。納米材料在地聚合物中不僅可以填充孔隙，還可以通過(guò)形成額外的C-A-S-H、N-A-S-H和C-S-H凝膠相，細(xì)化樣品的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高地聚合物組分的性能[57]。對(duì)于再生骨料GPC、橡膠骨料GPC，納米材料的加入是提高界面性能的有效措施，因此對(duì)于此類具有弱界面的GPC，納米材料的界面改性研究更值得研究。

納米材料無(wú)疑可以顯著提升GPC的力學(xué)、耐久性能，然而其成本仍然是限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，進(jìn)一步降低納米材料成本，進(jìn)行納米增強(qiáng)GPC的生命周期評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，利用納米材料制備可以實(shí)現(xiàn)高附加值的新型地聚合物復(fù)合材料值得進(jìn)一步研究。

1.3.6 纖維

與普通混凝土類似，GPC也表現(xiàn)出脆性特性，因此為了提高GPC韌性和抗裂能力，研究者們廣泛使用纖維來(lái)對(duì)GPC增韌，并進(jìn)行了大量研究。相關(guān)研究工作主要是關(guān)于纖維的種類、形狀、方向以及體積分?jǐn)?shù)等對(duì)GPC性能的影響。常見(jiàn)的纖維種類包括鋼纖維、無(wú)機(jī)纖維、合成纖維和天然纖維等[62]。無(wú)論纖維的種類和形狀如何，增加纖維含量通常會(huì)降低GPC的流動(dòng)性。盡管纖維的加入能提升GPC的機(jī)械性能，但纖維降低了工作性，并增加了基體的孔隙缺陷和不均勻性[63]。研究結(jié)果表明，纖維的加入可以顯著減少GPC的干縮。然而，聚乙烯纖維由于與基體黏結(jié)較差、剛度較低，在降低GPC干縮方面表現(xiàn)不佳。此外，較長(zhǎng)的纖維對(duì)降低GPC的干縮也不利[64]。纖維對(duì)GPC抗壓性能的影響在很大程度上取決于纖維與基體的相互作用、纖維的剛度和分散性。如果界面結(jié)合良好，纖維的橋接作用可以提高GPC的抗壓性能[65]。此外，纖維本身的剛度也是影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗壓性能的另一個(gè)重要因素。具有低彈性模量的纖維可能會(huì)將空氣引入基體，從而降低GPC的強(qiáng)度。然而，具有高彈性模量的纖維不僅可以維持內(nèi)部的壓縮應(yīng)力，還可以通過(guò)將應(yīng)力轉(zhuǎn)移來(lái)緩解施加在不同方向上的內(nèi)部集中應(yīng)力，因此通常對(duì)GPC的抗壓性能具有更好的提升效果[62]。而纖維的加入主要是為了提升GPC的韌性和抗裂能力，研究表明，纖維的加入顯著提高了GPC的抗拉應(yīng)變能力，斷裂性能和延展性。纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響將在4.4節(jié)詳細(xì)論述。

2 混凝土斷裂力學(xué)的發(fā)展

2.1 斷裂力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

斷裂力學(xué)起源于工程實(shí)際中材料的應(yīng)力脆性斷裂，是研究含裂紋體在不同應(yīng)力狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展規(guī)律與斷裂機(jī)理的一門學(xué)科。20世紀(jì)20年代英國(guó)物理學(xué)家GRIFFITH在研究玻璃等脆性材料時(shí)提出了斷裂理論[66]，指出材料內(nèi)部的微觀缺陷或不連續(xù)現(xiàn)象會(huì)影響材料的強(qiáng)度，并基于INGLISH的橢圓孔無(wú)限平面介質(zhì)的彈性解建立了脆性斷裂理論的基本框架。在20世紀(jì)40—50年代，IRWIN和OROWAN分別獨(dú)立地將GRIFFITH的斷裂理論擴(kuò)展到金屬材料，GRIFFITH和OROWAN的理論是斷裂理論中能量理論的基礎(chǔ)，而IRWIN在1957年提出的著名的裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的近似表達(dá)式以及應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，可以對(duì)裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)化分析，這使得脆性斷裂理論取得重大突破，隨后，IRWIN在應(yīng)力強(qiáng)度因子的基礎(chǔ)上提出了斷裂韌度的概念，并建立了材料斷裂韌性的試驗(yàn)技術(shù)體系。GRIFFITH的能量準(zhǔn)則與IRWIN的應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)的核心，因此，線彈性斷裂力學(xué)也稱為GRIFFITH-IRWIN斷裂力學(xué)。

彈塑性斷裂力學(xué)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，研究者們分別主要從兩個(gè)切入點(diǎn)進(jìn)行研究[67]。一種從裂縫前方的條狀屈服區(qū)著手，發(fā)展了各種斷裂過(guò)程區(qū)模型，這些模型為WELLS提出裂紋張開(kāi)位移（crack opening displacement，COD）作為斷裂參數(shù)的想法提供了物理基礎(chǔ)，而COD準(zhǔn)則可以作為塑性條件下裂紋的起裂判據(jù)。另一種則是延續(xù)IRWIN關(guān)于應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的思想，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的J積分成為彈塑性斷裂力學(xué)中斷裂參量和奇異場(chǎng)的分析方法。

2.2 混凝土線彈性斷裂力學(xué)

斷裂力學(xué)在金屬材料中的成功運(yùn)用引起了非金屬材料科研工作者的關(guān)注，并先后將斷裂力學(xué)引入到巖石、混凝土、石膏等非金屬材料中。KAPLAN[68]于1961年首次將斷裂力學(xué)概念引入混凝土的研究中，并進(jìn)行了斷裂韌度試驗(yàn)，采用線彈性斷裂理論進(jìn)行分析。據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，構(gòu)件在斷裂之前通常處于彈性階段。這一理論視角將裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)認(rèn)為是奇異的，將物體視為帶有裂縫的彈性體。在分析材料的裂紋穩(wěn)定性時(shí)，有兩種主要方法：應(yīng)力強(qiáng)度因子法和能量法。應(yīng)力強(qiáng)度因子法認(rèn)為，當(dāng)裂縫尖端強(qiáng)度應(yīng)力因子K1小于材料裂縫擴(kuò)展阻力KIc時(shí)，裂縫是穩(wěn)定的；能量法認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)中裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的消耗的能量GI小于形成單位裂縫表面所需的能量GIc時(shí)，裂縫是穩(wěn)定的。

然而，在大量研究中發(fā)現(xiàn)，使用線彈性斷裂力學(xué)方法測(cè)定的斷裂韌度KIc具有明顯的尺寸效應(yīng)，斷裂韌度隨著試件尺寸的增大而增大。在混凝土受到應(yīng)力作用后，裂縫的發(fā)展過(guò)程通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的穩(wěn)定亞臨界擴(kuò)展階段，這個(gè)階段通常被稱為斷裂過(guò)程區(qū)。在學(xué)術(shù)界已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí)，KIc的尺寸效應(yīng)就是對(duì)于混凝土斷裂過(guò)程區(qū)的忽視。當(dāng)試件尺寸足夠大，此時(shí)斷裂過(guò)程區(qū)與主裂縫尺寸相比可以忽略不計(jì)，線彈性斷裂力學(xué)就可以較為真實(shí)地描述混凝土的斷裂性能。當(dāng)混凝土的裂縫尖端斷裂過(guò)程區(qū)和亞臨界擴(kuò)展長(zhǎng)度較大而不能忽視時(shí)，線彈性斷裂力學(xué)將不再適用于分析混凝土中的裂縫了?；炷恋臄嗔褭C(jī)理非常復(fù)雜，包括微起裂、裂縫繞行、骨料的僑聯(lián)、裂縫面相互摩擦等，為了準(zhǔn)確描述斷裂過(guò)程區(qū)，進(jìn)建立混凝土斷裂模型，學(xué)者們根據(jù)混凝土的非線性變形特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向研究用于混凝土的非線性斷裂模型[67]。

2.3 混凝土非線性斷裂力學(xué)

根據(jù)斷裂過(guò)程區(qū)（fracture process zone，F(xiàn)PZ）的形狀和尺寸，可以把結(jié)構(gòu)材料分為脆性、準(zhǔn)脆性和彈塑性3類[69]，這3類材料的斷裂過(guò)程如圖6所示。鑒于線性彈性斷裂力學(xué)的局限性，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，研究者基于混凝土的非線性特點(diǎn)提出了一系列使用準(zhǔn)脆性材料的非線性斷裂力學(xué)模型，用以描述混凝土的裂縫發(fā)展。非線性斷裂模型可以被大致分為兩類[67]：便于數(shù)值分析的縫面軟化模型；便于解析計(jì)算的等效彈性裂縫模型。

2.3.1 縫面軟化模型

HILLERBORG等[70]于1976年提出的虛擬裂縫模型將混凝土裂縫尖端的微裂縫區(qū)視為虛構(gòu)的可傳遞拉應(yīng)力的裂縫（一條虛擬裂縫），裂縫面上各點(diǎn)傳遞拉應(yīng)力的大小取決于該點(diǎn)的裂縫張開(kāi)位移。虛擬裂縫模型的主要特點(diǎn)是可以通過(guò)有限元分析直接模擬混凝土的非線性特性。該模型提出了一種使用能量平衡方法來(lái)描述能量吸收的方法，并引入了斷裂過(guò)程區(qū)長(zhǎng)度、軟化曲線以及斷裂能GF，3個(gè)全新的概念。隨著虛擬裂縫寬度的增加，黏聚力逐漸減弱。當(dāng)虛擬裂縫的寬度達(dá)到特定的臨界值時(shí)，黏聚力將完全消失，從而導(dǎo)致宏觀裂縫的形成。

BAZANT等[71]認(rèn)為，可以用一條包含密集、平行裂紋的帶來(lái)模擬實(shí)際裂紋和斷裂區(qū)，這條裂紋具有一定的寬度，從而提出了鈍裂縫帶模型。該模型認(rèn)為在裂縫帶內(nèi)的混凝土材料在達(dá)到抗拉強(qiáng)度后會(huì)進(jìn)入軟化階段，而裂縫帶外的混凝土材料仍然處于線彈性狀態(tài)，裂縫帶內(nèi)的材料從發(fā)生損傷到一條宏觀裂縫出現(xiàn)所需要的能量等于混凝土的斷裂能。由于該模型將裂紋穩(wěn)定性分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了連續(xù)介質(zhì)的變形問(wèn)題，該模型能夠自動(dòng)形成新裂紋，不需要從新劃分網(wǎng)格，因此在應(yīng)用上鈍裂縫帶模型比虛擬裂縫模型要方便。然而大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，GF存在顯著的尺寸效應(yīng)。

2.3.2 等效彈性裂縫模型

根據(jù)不同的彈性等效原則，如荷載-裂縫口張開(kāi)位移曲線、荷載-裂縫尖端張開(kāi)位移曲線、荷載-加載點(diǎn)位移曲線等，可以建立不同的等效彈性裂縫模型，如雙參數(shù)模型、尺寸效應(yīng)模型、等效裂縫模型、雙K斷裂模型和新KR阻力曲線模型。

1）參數(shù)模型

JENQ等[72]的雙參數(shù)斷裂模型是修正的線彈性斷裂模型。雙參數(shù)模型定義了臨界失穩(wěn)斷裂韌度KSIc和臨界裂縫尖端張開(kāi)位移（critical crack tip opening displacement，CTOD，簡(jiǎn)寫(xiě)為δc），作為斷裂的兩個(gè)控制參數(shù)，并為它們建立了斷裂準(zhǔn)則，即

雙參數(shù)模型借助測(cè)定的荷載-裂縫口張開(kāi)位移曲線解析計(jì)算混凝土材料的基本斷裂參數(shù)，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)KSIc與幾何尺寸無(wú)關(guān)，而δc的計(jì)算結(jié)果偏差較大。需要注意的是，在雙參數(shù)模型中計(jì)算臨界有效裂紋長(zhǎng)度ac時(shí)，只考慮了線彈性變形，忽略了塑性變形。因此，真實(shí)的ac值被低估了[73]。而且，卸載柔量（Cu）只能通過(guò)卸載試驗(yàn)獲得，這對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)際試驗(yàn)操作都有特殊要求。

2）尺寸效應(yīng)模型

在考慮了混凝土斷裂過(guò)程區(qū)的非線性特性后，BAANT[74]結(jié)合鈍裂縫帶模型，提出了描述幾何相似結(jié)構(gòu)名義破壞應(yīng)力的尺寸效應(yīng)模型，即

式中：σn為名義破壞應(yīng)力；ft為材料抗拉強(qiáng)度；d為構(gòu)件高度；d0和B為與構(gòu)件尺寸無(wú)關(guān)的常數(shù)，一般采用試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法確定這兩個(gè)參數(shù)。

尺寸效應(yīng)模型以名義破壞應(yīng)力為控制參數(shù)，其物理意義可以通過(guò)名義破壞應(yīng)力-構(gòu)件尺寸曲線來(lái)解釋，如圖7。

尺寸效應(yīng)模型定義了兩個(gè)參數(shù)，理解能量釋放率Gf和臨界斷裂過(guò)程區(qū)長(zhǎng)度

cf，分別對(duì)應(yīng)于無(wú)窮大結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展單位長(zhǎng)度需要消耗的能量和彈性等效的非線性斷裂過(guò)程區(qū)長(zhǎng)度。與雙參數(shù)模型相比，尺寸效應(yīng)模型避免了ac計(jì)算不準(zhǔn)確的問(wèn)題，但是需要滿足很多嚴(yán)格的條件，如需要不同尺寸的二維相似試件等。

3）等效裂縫模型

等效裂縫模型[75]是專門適用于三點(diǎn)彎曲梁的模型，它考慮了臨界等效裂紋長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度由初始缺口長(zhǎng)度和非線性斷裂過(guò)程中裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度之和組成。根據(jù)荷載-加載點(diǎn)位移曲線（P-δ）等效，在求解臨界等效裂縫長(zhǎng)度ac時(shí)，此外，在模型中最大荷載對(duì)應(yīng)于割線柔度，從而需要考慮塑性變形對(duì)ac的影響，因此，等效裂縫獲得的ac值大于雙參數(shù)模型中通過(guò)彈性等效得到的ac值。

4）雙K斷裂模型

雙K斷裂模型[76-77]引入起裂斷裂韌度KiniIc和失穩(wěn)斷裂韌度KunIc來(lái)分別描述混凝土裂縫開(kāi)始擴(kuò)展和裂縫穩(wěn)定發(fā)展至上限的狀態(tài)。這兩個(gè)參數(shù)很好地控制了混凝土裂縫擴(kuò)展所經(jīng)歷的3個(gè)階段和2個(gè)臨界。

徐世烺院士認(rèn)為起裂斷裂韌度KiniIc和失穩(wěn)斷裂韌度KunIc兩個(gè)相關(guān)的斷裂參數(shù)，二者與骨料黏聚力所引起的黏聚韌度增值KcIc之間符合關(guān)系KunIc=KiniIc+KcIc。雙K斷裂模型只需要對(duì)單一試件進(jìn)行單調(diào)加載到極值荷載，然后測(cè)定P-CMOD曲線上升段的初始柔度以及通過(guò)極值點(diǎn)的割線柔度便可求得兩個(gè)控制參數(shù)KiniIc和KunIc，具有很好的實(shí)際操作性。2005年被確立為我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工凝土斷裂韌度試驗(yàn)規(guī)程》的理論依據(jù)[78]，2011年RILEM成立“混凝土裂縫擴(kuò)展的雙K斷裂準(zhǔn)則試驗(yàn)方法”技術(shù)委員會(huì)。

5）新KR阻力曲線模型

在雙K斷裂準(zhǔn)則的基礎(chǔ)之上，XU等[79]和REIHARDT等[80]以應(yīng)力強(qiáng)度因子為工具提出了基于黏聚力的新KR阻力曲線以描述裂縫擴(kuò)展全過(guò)程。KR阻力認(rèn)為裂縫擴(kuò)展阻力由兩部分組成：一是材料本身抵抗開(kāi)裂的韌度，即起裂韌度KiniIC；另一部分是由于分布在斷裂過(guò)程區(qū)上的黏聚力所產(chǎn)生的擴(kuò)展阻力KcI（Δa），它隨裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度的變化而變化，跟材料的抗拉強(qiáng)度、黏聚力軟化曲線以及斷裂過(guò)程區(qū)的長(zhǎng)度相關(guān)。新KR阻力曲線考慮了骨料黏聚咬合作用對(duì)裂縫阻力的貢獻(xiàn)，揭示了混凝土材料韌度增值的主要物理機(jī)理[81]。從理論上來(lái)講，雙K斷裂模型中的雙K斷裂參數(shù)正好對(duì)應(yīng)著基于裂縫黏聚力的新KR阻力曲線上起裂和臨界失穩(wěn)兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。因此，可將雙K斷模型看成新KR阻力曲線理論的實(shí)際簡(jiǎn)化應(yīng)用[67]。

3 GPC斷裂性能試驗(yàn)方法與斷裂參數(shù)確定方法

3.1 GPC斷裂性能測(cè)試方法

混凝土斷裂力學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，研究者們進(jìn)行了多種測(cè)試方法嘗試，常用的混凝土斷裂性能測(cè)試方法有：混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、圓盤形緊致拉伸試驗(yàn)、缺口半圓彎曲試驗(yàn)等[77]。而本綜述中收集的文獻(xiàn)中進(jìn)行的測(cè)試主要有混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖8）、混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖9）、缺口半圓彎曲試驗(yàn)（圖10）；其中，超過(guò)96%的研究中采用混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。

3.2 GPC斷裂參數(shù)的確定方法

混凝土斷裂參數(shù)主要包括：荷載-裂縫張開(kāi)口位移（P-CMOD）曲線、荷載-撓度曲線、斷裂能（總斷裂能GF，起始斷裂能Gf）、斷裂韌性KIc、臨界釋放率GIc、應(yīng)變能釋放率JIc、特征長(zhǎng)度lch、斷裂過(guò)程區(qū)有效尺寸Cf、脆性指數(shù)β等。

總結(jié)文獻(xiàn)中采用的計(jì)算模型[82-152]，主要有：RILEM 50-FMC、RILEM TC89-FMC、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5332—2005（雙K斷裂準(zhǔn)則）、CECS 13：2009、CEB-FIP、ASTM D5045、邊界效應(yīng)模型等。其中，使用頻率最高的就是RILEM 50-FMC及RILEM TC89-FMC。文獻(xiàn)[82-83]中詳細(xì)介紹了以上模型的基本假定和計(jì)算方法。

4 GPC的斷裂性能

4.1 GPC與OPC的斷裂性能對(duì)比

在GPC的斷裂性能研究中，一些研究者對(duì)GPC和水泥混凝土OPC的斷裂性能進(jìn)行了對(duì)比分析。SARKER等[110]研究發(fā)現(xiàn)，GPC與OPC有很多異同。GPC和OPC在斷裂性能測(cè)試和分析方法上相似；二者的斷裂能均與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)；在相同抗壓強(qiáng)度下，GPC與OPC的斷裂能相當(dāng)，而GPC的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)更高。然而，PAN等[137]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熱固化FA基GPC的斷裂能比OPC低24%。DING等[106]研究了不同強(qiáng)度GPC和OPC的斷裂性能，其荷載-撓度曲線如圖11所示。不同抗壓強(qiáng)度下，GPC比OPC的斷裂能更高，如圖12所示。因?yàn)镚PC中地聚合物與骨料之間有更強(qiáng)的黏結(jié)能力。此外，GGBFS/FA基GPC梁的特征長(zhǎng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而減小，且在相同抗壓強(qiáng)度下，無(wú)論配比如何，其特征長(zhǎng)度均低于OPC混凝土梁，如圖13所示。他們還指出，GPC的特征長(zhǎng)度比OPC的低，意味著GPC的脆性行為更強(qiáng)。NATH等[152]指出，與OPC相比，F(xiàn)A基GPC具有更高的斷裂能，而二者的臨界應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)相當(dāng)。ZHANG等[111]對(duì)比了GGBFS基GPC和OPC的斷裂性能，結(jié)果表明，GPC比OPC具有更高的斷裂能，如圖14所示，這是因?yàn)榍罢咴谀z凝材料與珊瑚骨料之間存在更強(qiáng)、更致密的界面過(guò)渡區(qū)。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在相同強(qiáng)度的條件下，GPC相比OPC具有更高的斷裂能，但同時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性行為?？偟膩?lái)說(shuō)，GPC和OPC具有相似的斷裂特性，這也很容易理解，二者的差別主要在于膠凝材料，都是非均質(zhì)多相材料。因此，對(duì)于GPC斷裂性能的研究可以更多的參考OPC的研究思路和方法。

4.2 前驅(qū)體對(duì)GPC斷裂性能的影響

在探究前驅(qū)體對(duì)GPC斷裂性能影響的研究中，前驅(qū)體的選取也主要為FA、GGBFS、MK和RHA等。BILLONG等[138]通過(guò)用RHA等質(zhì)量替換MK（12.5%、25%和50%），發(fā)現(xiàn)28d固化后含有12.5%RHA的GPC具有最好的延性。DING等 [112]研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整GGBFS與FA的比例對(duì)改善GGBFS/FA基GPC的斷裂性能具有積極影響，其荷載-撓度曲線如圖15所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著GGBFS含量的增加，GPC的斷裂性能不斷提升。同樣地，ZHANG等[103]研究了GGBFS/FA基GPC的斷裂特性與微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)產(chǎn)物組成之間的關(guān)系。結(jié)果表明，增加GGBFS的用量可以提升GPC的斷裂性能；C-（N-）A-S-H凝膠的CA/SI與GPC斷裂特性之間具有強(qiáng)正相關(guān)性，如圖16所示。LIU等[104]研究了硅灰作為摻合料對(duì)超高性能GPC斷裂性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，硅灰的摻入對(duì)超高性能GPC斷裂性能的影響較為復(fù)雜，5%～10%的硅灰摻量導(dǎo)致斷裂性能下降，而當(dāng)硅灰含量超過(guò)10%時(shí)，基體與纖維的黏結(jié)性能改善，斷裂性能得到提升。ZHANG等[113]使用F類FA替換尾砂制備GPC，結(jié)果表明，在低添加量下，添加F類FA并不會(huì)提高斷裂韌性，但隨著FA添加量的增加，韌性逐步提高。HAN等[125]采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）研究了鉬尾礦含量對(duì)FA基GPC斷裂性能的影響。結(jié)果表明，摻入20%鉬尾礦后，與未摻入的FA基GPC相比，微觀結(jié)構(gòu)更致密，減少了試件在加載過(guò)程中宏觀裂縫的形成和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷，顯著提高了GPC的抗斷裂性能，圖17展示了含不同摻量鉬尾礦GPC的SEM圖像。

綜上所述，不同前驅(qū)體GPC的斷裂性能差別顯著，通過(guò)選擇不同前驅(qū)體并采用合適的混摻比可以得到更優(yōu)異的斷裂性能。然而，目前針對(duì)不同前驅(qū)體對(duì)GPC斷裂性能影響的研究還不夠系統(tǒng)和完善，需要研究人員在該領(lǐng)域繼續(xù)深入研究。

4.3 堿激發(fā)劑對(duì)GPC斷裂性能的影響

GHASEMZADEH等[85]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著NS/NH（最大為3）和NaOH摩爾濃度（最高16mol/L）的增加，其總斷裂能GF

和初始斷裂能Gf增大，特征長(zhǎng)度和有效斷裂過(guò)程區(qū)長(zhǎng)度減小，也即增大了GPC的斷裂能而降低了延性。DING等[112]發(fā)現(xiàn)堿溶液濃度和堿激發(fā)劑摩爾比的增加會(huì)提高GPC的斷裂性能，但是AL/B的升高會(huì)降低GPC的斷裂性能，圖18展示了不同堿激發(fā)劑參數(shù)對(duì)GPC荷載-撓度曲線的影響。

MOUSAVINEJAD等[96]研究了AL/B（即0.65、0.75和0.85）和NS/NH（即0.25、0.5和 0.75）對(duì)GPC斷裂性能的影響。結(jié)果表明，隨著AL/B比從0.65增加到0.85，GPC的斷裂能和斷裂韌性降低，延展性增加；NS/NH比為0.5時(shí)，GPC斷裂能和斷裂韌性最大以及最高脆性；此外，隨著抗壓強(qiáng)度的增加，GPC的斷裂能、斷裂韌性得到提升，而脆性也隨之增加。YANG等[102]總結(jié)發(fā)現(xiàn)，隨著SiO2/Na2O摩爾比、Na2O含量和GGBFS/FA質(zhì)量比的增大，GPC斷裂能增強(qiáng)。使用NaOH作為堿激發(fā)劑時(shí)，濃度為4mol/L時(shí)，GPC的斷裂能、斷裂韌性和脆性均達(dá)到最大值，而斷裂能隨著堿性溶液與黏結(jié)劑質(zhì)量比的增加而降低。ZHANG等[111]研究發(fā)現(xiàn)增加堿含量可以改善膠凝材料與骨料之間的界面，使GPC的初始斷裂荷載、峰值荷載、起始斷裂韌性、失穩(wěn)斷裂韌性和斷裂能增大，但也增加了脆性。ZAHID等[118]研究了不同NaOH濃度（8、12、16mol/L）對(duì)FA基GPC斷裂特性的影響，發(fā)現(xiàn)在12mol/L時(shí)，GPC的斷裂能和斷裂韌性最佳。

總結(jié)以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GPC的斷裂性能隨著AL/B的增大而降低，而不隨NS/NH、NaOH摩爾濃度、SiO2/Na2O摩爾比和Na2O含量單調(diào)增大或降低，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。此外，GPC的斷裂性能與抗壓強(qiáng)度往往呈正相關(guān)（未摻加低彈性模量的纖維時(shí)），因此最佳斷裂性能對(duì)應(yīng)的堿激發(fā)劑的最優(yōu)配比與抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。此外，隨著斷裂能和斷裂韌性的提升，GPC的特征長(zhǎng)度不斷減小，即脆性不斷增大。

4.4 纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響

纖維的摻加對(duì)提升纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRGPC）的韌性和抗斷裂性能具有顯著效果，并且是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行的措施。在相關(guān)的研究中，研究者已經(jīng)取得了豐富的成果。常用的纖維種類主要包括鋼纖維、合成纖維、無(wú)機(jī)纖維和天然纖維。

與普通GPC不同，F(xiàn)RGPC在單個(gè)裂縫擴(kuò)展后不會(huì)完全失效。當(dāng)裂縫開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)，該位置的拉應(yīng)力由纖維承擔(dān)。只要裂縫位置的纖維沒(méi)有斷裂或被拔出，基體就仍然能夠承受應(yīng)力，而后在其他位置可能產(chǎn)生新的裂縫。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致多個(gè)裂縫的擴(kuò)展，直到纖維失效或從基體中拔出。因此，F(xiàn)RGPC能夠吸收更多的斷裂能量，從而提升材料的斷裂性能。

4.4.1 鋼纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響

鋼纖維在增強(qiáng)GPC方面的研究相當(dāng)廣泛。其中，長(zhǎng)徑比為60～85的鉤端鋼（HES）纖維受到了較多關(guān)注，因其具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，同時(shí)在脫粘過(guò)程中提供額外的機(jī)械錨定。此外，微鋼（MS）纖維由于其良好的耐久性能也備受關(guān)注。

AL-MAJIDI等[139]研究發(fā)現(xiàn)，短MFS纖維（長(zhǎng)度為6 mm）的體積摻量為2%和3%時(shí)，其增強(qiáng)的GPC在第一次裂紋出現(xiàn)時(shí)的撓度值分別為0.12、0.25 mm。而對(duì)于含有1%、2%和3%長(zhǎng)MSF纖維（長(zhǎng)度為13 mm）的FRGPC，相應(yīng)的撓度值分別為0.171、0.3、0.6 mm。此外，相較于摻加短纖維的FRGPC，摻加3%長(zhǎng)纖維的FRGPC在峰值荷載下的撓度提高了4倍，達(dá)到了基準(zhǔn)GPC的近20倍。LI等[140]研究發(fā)現(xiàn)，GPC極限載荷和撓度隨著鋼纖維含量的增加而增加，并使GPC的破壞從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)镕RGPC的延性破壞。SANJAYAN等[107]通過(guò)有限元法（FEA）預(yù)測(cè)HES纖維增強(qiáng)GPC的斷裂性能，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，增加HES纖維含量可以顯著提升FRGPC的斷裂韌性，5% HES纖維的增韌效果最好。而試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加3%HES纖維的GPC具有最高的韌性。這可能是因?yàn)檫^(guò)量的纖維會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚而增加試件的缺陷，以及未均勻分布的纖維與基體之間的黏結(jié)作用較弱，而在有限元分析方法中，假定所有纖維均勻分布且具有相同的黏結(jié)強(qiáng)度。BASHA等[3]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維對(duì)GPC的斷裂性能有明顯的影響。鋼纖維對(duì)GPC斷裂韌性能的增強(qiáng)可達(dá)2～3倍。在相同摻量下，摻加長(zhǎng)徑比為80的鋼纖維的FRGPC具有更高的韌性，而摻加長(zhǎng)徑比為65的鋼纖維的FRGPC具有更高的斷裂能。DING等[112]研究表明，隨著GGBFS基GPC中鋼纖維體積摻量的增加，斷裂能量和斷裂韌性逐漸增大。在摻有1.5%鋼纖維的GPC中，斷裂能達(dá)到最大，而纖維體積摻量為2%時(shí)，砂漿的斷裂韌性提升了2倍。ZHANG等[141]的研究結(jié)果表明，2.5%體積摻量的鋼纖維可以提高GPC 27.8%的KiniIc和12.74倍的KunIc，如圖19所示。

圖20顯示了鋼纖維摻量對(duì)GPC荷載-張開(kāi)口位移曲線的影響，結(jié)果表明，鋼纖維的加入顯著提升了GPC的斷裂性能。DEEPA RAJ等[142]對(duì)比了抗壓強(qiáng)度為30MPa的GPC和OPC，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量的增加提高了斷裂能量和斷裂韌性，其中最佳摻量為0.75%。此外，不論是否摻入纖維，GPC的斷裂能量和韌性均高于OPC。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了BERNAL等[143]的研究結(jié)果，他們的研究表明鋼纖維對(duì)GGBFS基GPC的增強(qiáng)效果是OPC的3倍，這是因?yàn)镚PC與纖維之間的黏結(jié)作用強(qiáng)于OPC。AKTURK等[144]表明鋼纖維對(duì)GPC的增強(qiáng)效果強(qiáng)于聚丙烯（PP）纖維，摻入鋼纖維的GPC表現(xiàn)出更好的抗裂性能和延展性。

綜上所述，鋼纖維對(duì)GPC的增韌效果顯著，能夠大幅提高GPC的斷裂能量和斷裂韌性，并增加延展性，使得GPC的破壞方式由準(zhǔn)脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?。此外，鋼纖維對(duì)GPC的起裂斷裂韌度的提升作用較小，相對(duì)而言對(duì)失穩(wěn)斷裂韌度的影響更大。這說(shuō)明鋼纖維主要在裂縫開(kāi)始擴(kuò)展后發(fā)揮作用，通過(guò)限制裂縫的擴(kuò)展來(lái)提高基體的斷裂性能。

4.4.2 合成纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響

比較有代表性的合成纖維包括聚乙烯醇（PVA）纖維、聚乙烯（PE）纖維、聚丙烯（PP）纖維、聚酯（PO）纖維、碳纖維等。ZHANG等[89]研究了PE纖維對(duì)高韌性地聚合物斷裂性能的影響。設(shè)定了7種纖維體積摻量（0、0.25%、0.45%、0.65%、0.85%、1.05%、1.25%）和２種纖維長(zhǎng)度（6、12mm）。研究表明，纖維有效提高了混凝土材料的斷裂性能，但斷裂韌性并非隨纖維摻量的增加而單調(diào)增加。如圖21所示，隨著纖維摻量的增加，PE纖維增強(qiáng)GPC的斷裂韌性先升高后降低，起始斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度在纖維摻量為1.05％、長(zhǎng)度為12mm時(shí)取得最大值。

ZAHID等[118]研究了直徑為0.04mm、長(zhǎng)度為8mm和12mm，以及直徑為0.2mm、長(zhǎng)度為18mm和24mm的PVA纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響，結(jié)果表明短、細(xì)的PVA纖維對(duì)斷裂性能提升更多，建議選取直徑為0.04mm、長(zhǎng)度為8mm的PVA纖維。WAN等[90]的研究表明，添加PVA纖維可顯著提高GPC的初始斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度，增強(qiáng)斷裂能更是高達(dá)77倍。圖22顯示了摻入2%PVA纖維的GPC經(jīng)過(guò)60℃養(yǎng)護(hù)后，在單軸拉伸載荷下的平均應(yīng)變大于3%，表現(xiàn)出偽應(yīng)變硬化行為，并出現(xiàn)多縫開(kāi)裂。張鵬等[129]研究發(fā)現(xiàn)，PVA纖維體積摻量為1%時(shí)取得最佳增韌效果；納米SiO2（NS）與PVA纖維混摻可以產(chǎn)生積極的協(xié)同作用，但過(guò)量的NS和PVA纖維摻入會(huì)導(dǎo)致GPC斷裂性能以及強(qiáng)度的下降[123]。LIN等[98]研究了碳纖維增強(qiáng)GPC的性能，其機(jī)械性能得到顯著改善，破壞模式也變?yōu)榉谴嘈云茐?。如圖23所示，在相同摻量下，長(zhǎng)度為7mm的碳纖維表現(xiàn)出最好的增強(qiáng)效果。BHUTTA等[146]研究表明，在含合成纖維（PVA、PPF、CF和聚酯）的FRGPC中，含PVA纖維的FRGPC表現(xiàn)出最佳性能；僅需1%體積摻量的PVA纖維就可以實(shí)現(xiàn)撓曲硬化行為。

綜上所述，合成纖維可以顯著改善GPC的抗裂能力，PVA纖維表現(xiàn)出相當(dāng)好的增韌效果，1%的PVA纖維更可能為最優(yōu)摻量。此外，纖維長(zhǎng)徑比也是FRGPC斷裂性能的重要影響因素。

4.4.3 無(wú)機(jī)纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響

用于GPC的無(wú)機(jī)纖維主要有玄武巖纖維和玻璃纖維。WANG等[120]探究了不同長(zhǎng)度（3、6、12、18mm）和不同摻量（0.025%、0.05%、0.1%、0.15%）的玄武巖纖維對(duì)FA基GPC斷裂性能的影響，纖維長(zhǎng)度對(duì)荷載-CMOD曲線影響如圖24。研究結(jié)果表明，玄武巖纖維顯著提升了GPC的峰值荷載、斷裂韌性和斷裂能，并在峰值荷載超過(guò)80%之前可以減小裂縫長(zhǎng)度；玄武巖纖維長(zhǎng)度為6mm、摻量為0.05%時(shí)，對(duì)GPC的斷裂性能增強(qiáng)效果最為顯著。SI等[94]在不同堿激發(fā)劑摩爾比（0～2）的GPC中加入玄武巖纖維，結(jié)果顯示玄武巖纖維對(duì)GPC的KUIC和GF的提升作用隨著堿激發(fā)劑摩爾比的增加而增加。YURT等[87]研究了玻璃纖維、玄武巖纖維和PP纖維增強(qiáng)GGBFS基GPC的斷裂性能，纖維用量分別為1、2、3kg/m3，NaOH濃度為8、10、12mol/L，結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，GPC的斷裂性能不斷提升，玻璃纖維在NaOH為8mol/L時(shí)展現(xiàn)出最佳的增強(qiáng)效果，而玄武巖纖維和PP纖維則是在12mol/L時(shí)取得最佳效果。3種纖維對(duì)GPC斷裂能的增強(qiáng)效果相差不大，但是玻璃纖維的分散性較差。NATALI等[145]研究了PVA纖維、碳纖維、聚氯乙烯纖維和玄武巖纖維對(duì)GPC的強(qiáng)度和韌性的影響。在保持纖維長(zhǎng)度（7mm）和體積含量（1%）不變的情況下，測(cè)試了不同類型纖維對(duì)GPC的影響。結(jié)果顯示，摻有合成纖維的GPC性能優(yōu)于含無(wú)機(jī)纖維的復(fù)合材料，摻有合成纖維的GPC表現(xiàn)出更好的能量吸收能力，在達(dá)到開(kāi)裂荷載后，合成纖維發(fā)揮更大的作用，進(jìn)而使得GPC延性增加。YANG等[119]對(duì)比研究了鋼纖維、PP纖維和玄武巖纖維對(duì)GPC力學(xué)性能和抗裂性能的影響，結(jié)果表明，鋼纖維、PP纖維和玄武巖纖維的最佳摻量分別為1.0%、0.8%和0.2%；在試件破壞過(guò)程中，3種纖維的失效模式不同，鋼纖維為完全拔出，可以用摩擦模型來(lái)模擬；玄武巖纖維為纖維斷裂，可以用彈簧模型來(lái)表征；而PP纖維由于與基體之間為弱黏結(jié)，且會(huì)在完全拔出前斷裂，因此用彈簧-摩擦模型來(lái)描述。

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)纖維同樣可以大幅提高GPC的斷裂性能，纖維的類型、長(zhǎng)徑比和摻量等因素對(duì)纖維的增韌效果起著重要作用。

4.4.4 天然纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響

天然纖維增強(qiáng)GPC方面的相關(guān)研究成果相對(duì)較少，而且主要集中在植物纖維上，如劍麻、椰子、棉花、大麻、亞麻和黃麻纖維等。這是因?yàn)閺膭?dòng)物身上收集纖維較為困難，并且礦物纖維在使用前需要進(jìn)行處理。POLETANOVIC等[147]研究了大麻纖維對(duì)GPC斷裂性能的影響，圖25展示了不同大麻纖維摻量下GPC的荷載-撓度曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，素GPC在達(dá)到最大荷載后幾乎沒(méi)有變形能力，荷載急劇下降，表明其能量吸收能力有限。然而，在相同的外部荷載下，含有大麻纖維的FRGPC表現(xiàn)出更高的撓曲能力，纖維摻量越大，撓曲能力越強(qiáng)。ASSAEDI等[148]報(bào)道了亞麻纖維增強(qiáng)GPC相比素GPC表現(xiàn)出更高的韌性，這是因?yàn)閬喡槔w維在加載過(guò)程中能夠抵抗荷載并支持多裂縫擴(kuò)展，從而改變了破壞模式，使其呈現(xiàn)出延性破壞特性。圖26顯示了摻亞麻纖維GPC的斷裂面SEM圖，可以發(fā)現(xiàn)亞麻纖維被拉斷或拔出，在此過(guò)程中纖維顯著提升了GPC的斷裂性能。ALOMAYRI等[149]研究發(fā)現(xiàn)含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%棉纖維的FRGPC比素GPC的斷裂韌性提高了60%。然而，當(dāng)纖維用量超過(guò)0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，由于纖維在復(fù)合材料中分散不均勻，導(dǎo)致GPC的韌性顯著降低。此外，當(dāng)天然纖維具有特定的方向（垂直或水平）時(shí)，更易于在GPC中均勻吸收和分配荷載[150]。

天然纖維通過(guò)纖維斷裂、纖維拉出、纖維與基體界面脫黏和纖維橋接多種吸能特性，在提高復(fù)合材料的斷裂韌性方面發(fā)揮重要作用，這些特性可以延緩裂紋的發(fā)展，增加斷裂能。

4.5 惡劣環(huán)境下GPC的斷裂性能

LIU等[101]研究了低溫（低至－160℃）下GPC的力學(xué)性能，結(jié)果表明，隨著溫度的降低，混凝土的強(qiáng)度、斷裂能、斷裂韌性和脆性都得到提升，這主要是因?yàn)榭紫端膬鰪?qiáng)作用和冰在低溫下的自強(qiáng)特性。常溫下強(qiáng)度為35MPa的GPC在不同溫度下的荷載-CMOD曲線如圖27所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，GPC的曲線包絡(luò)面積越大，說(shuō)明GPC的斷裂性能越好。此外，低強(qiáng)度的GPC相比高強(qiáng)度的對(duì)溫度變化更敏感，因?yàn)槠渚哂休^高的孔隙率和含水率。此外，與強(qiáng)度相近的OPC相比，GPC對(duì)低溫更敏感，也即在低溫下的性能提升更多。王俊豪等[133]研究了GPC在200、400、600、800℃的高溫暴露后的斷裂性能，基于邊界效應(yīng)模型對(duì)無(wú)尺寸效應(yīng)的斷裂參數(shù)抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，隨著暴露溫度的升高，GPC的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度逐漸降低，并且降低速度不斷增大。YANG等[102]研究了GGBFS/FA基GPC在高溫暴露后的斷裂性能。研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，荷載-位移曲線變得平緩，抗拉強(qiáng)度不斷降低。斷裂能GF在溫度達(dá)到400℃之前變化不明顯，在溫度達(dá)到400℃之后明顯降低。

此外，在低于400℃的溫度暴露下，具有較高GGBFS摻量的GPC在高溫后表現(xiàn)出更好的斷裂性能?；拭竦萚135]研究了不同堿激發(fā)劑摩爾比制備的GGBFS基GPC在凍融循環(huán)破壞后的斷裂性能，結(jié)果如圖28所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，斷裂能和斷裂韌度不斷降低；不同堿激發(fā)劑摩爾比的GPC的凍融損傷均小于OPC；此外，不同堿激發(fā)劑摩爾比的GPC斷裂凍融損傷由小到大排列為：1.6、2.0、1.2和0.8。

總體而言，關(guān)于惡劣環(huán)境以及耐久性環(huán)境下GPC的斷裂性能研究成果尚少，然而，這些研究對(duì)于理解和評(píng)估GPC在復(fù)雜環(huán)境中的耐久性能具有重要指導(dǎo)意義，因此需要更多的研究人員關(guān)注此研究方向。

5 總結(jié)與展望

普通混凝土斷裂力學(xué)已經(jīng)得到諸多研究者系統(tǒng)的研究，而GPC斷裂性能僅在近幾年獲得了較多關(guān)注，但已經(jīng)取得階段性成果。對(duì)于GPC斷裂性能的研究主要基于普通混凝土斷裂力學(xué)的研究方法，探究原料組成、堿激發(fā)劑、纖維等因素對(duì)GPC斷裂性能的影響?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)：①GPC與OPC具有相似的斷裂特性；②隨著抗壓強(qiáng)度的增大，GPC斷裂性能提高，而脆性也隨之增大；③原材料的組成對(duì)GPC的斷裂性能影響顯著，不同的前驅(qū)體通過(guò)合適的混摻比例可以得到優(yōu)異的斷裂性能；④GPC的斷裂性能隨著堿激發(fā)劑摩爾比、NaOH摩爾濃度的增大而先增大后減小，而隨著AL/B的增大而單調(diào)減??；⑤不同種類纖維的加入都能顯著提升GPC的斷裂性能，纖維的種類、摻量、長(zhǎng)徑比等都是纖維增強(qiáng)GPC的斷裂性能的重要影響因素。

混凝土的斷裂性能是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而相關(guān)研究尚不完善，因此還需要進(jìn)行大量的研究。GPC斷裂性能的研究還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：①前驅(qū)體的種類和成分對(duì)斷裂性能的影響機(jī)理研究；②養(yǎng)護(hù)制度對(duì)GPC斷裂性能的影響；③骨料對(duì)GPC斷裂性能的影響；④納米材料對(duì)GPC斷裂性能的影響；⑤耐久性環(huán)境及惡劣環(huán)境下GPC斷裂性能的研究。

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