《Journal of Building Engineering》：Mechanical Behavior of Fiber-Reinforced Ultra-High-Performance Lightweight Concrete with Expanded Glass Aggregate
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本研究针对现代建筑对高强轻质材料的迫切需求，系统探讨了掺入膨胀玻璃骨料（EGA）的新型纤维增强超高性能轻质混凝土（UHPLWC）的力学行为。通过测试12种配合比（涵盖L80和L100两种强度等级，并采用聚丙烯纤维、钢纤维或其混杂纤维增强），研究人员全面分析了其应力-应变关系、弹性模量、破坏模式及弯曲韧性。结果表明，混杂纤维体系可诱导显著的弯曲应变硬化，使弯曲强度提升高达157%，能量吸收能力增强超过15倍。同时，研究建立并验证了能准确预测UHPLWC受压本构关系的材料模型，为其结构工程应用提供了重要理论依据。
在现代建筑工业飞速发展的进程中，两大趋势尤为关键：一是追求具有卓越力学性能的先进材料，二是优化结构自重以实现更高的效率和可持续性。超高性能混凝土（UHPC）以其超凡的强度、耐久性和尺寸稳定性著称，但其高密度（通常为2500–2650 kg/m3）也带来了构件笨重、碳足迹高以及在预制装配和模块化集成建筑（MiC）中运输吊装困难等问题。另一方面，传统轻质混凝土（LWC）虽然通过使用多孔骨料成功降低了密度，但其伴随的孔隙率增加往往导致强度和刚度显著降低，限制了其在主要承重构件中的应用。如何将UHPC的高性能与轻质材料的减重优势结合起来，成为材料与结构工程领域一个亟待解决的重要挑战。在此背景下，超高性能轻质混凝土（UHPLWC）应运而生，成为近年来的研究热点。然而，尽管在配合比设计方面取得了显著进展，但关于其完整的力学响应，特别是全应力-应变行为、弹性模量演变以及混杂纤维调控的脆韧转变机理的系统量化研究仍显不足，这阻碍了该类材料从实验室研究走向实际工程应用。此外，在众多轻质骨料（LWA）中，膨胀玻璃骨料（EGA）因其以废玻璃为原料的环保特性、相对适中的吸水率以及能够形成稳健颗粒骨架等优势而备受关注，但其在UHPLC中的应用潜力，尤其是在混杂纤维协同作用下的力学行为表征，尚缺乏系统深入的研究。
为了填补上述研究空白，本研究在《Journal of Building Engineering》上发表论文，对EGA基纤维增强UHPLWC的力学行为进行了系统的实验研究。研究人员设计了12种配合比，目标为L80（约80 MPa）和L100（约100 MPa）两个强度等级，系统地评估了钢纤维（SF）和聚丙烯（PP）纤维单独及混杂掺入的效果。研究采用了多种关键技术方法：首先，通过精密的配合比设计，使用不同粒径的EGA（0.1-0.3 mm和0.25-0.5 mm）与水泥、硅灰、石英粉、矿渣等胶凝材料复合，并采用高效减水剂控制工作性。其次，对制备的混凝土试件（立方体、圆柱体、梁）进行标准养护后，开展了单轴压缩试验，结合应变片和线性可变差分变压器（LVDT）测量，获取了完整的应力-应变曲线和弹性模量。同时，进行了四点弯曲试验，并创新性地应用数字图像相关（DIC）技术全程监测梁试件表面的全场变形和裂纹演化，以量化弯曲强度、韧性和破坏模式。最后，基于大量实验数据，建立并验证了能够准确预测UHPLWC受压本构关系的理论模型。
研究结果揭示了该材料的独特性能和行为规律。
3.1. 密度
研究表明，所有混合物的密度在1809至2130 kg/m3之间，显著低于普通混凝土（~2400 kg/m3）和传统UHPC，实现了15-28%的减重效果。钢纤维的加入会因自身高密度而增加混合物密度，而聚丙烯纤维影响甚微。即使掺入2%钢纤维和2%聚丙烯纤维的最高配比，材料仍保持显著的轻质特性。
3.2. 圆柱试件破坏模式
纤维类型显著影响破坏模式。素混凝土（无纤维）表现为典型的脆性轴向劈裂破坏。添加聚丙烯纤维后，试件表面完整性改善，但荷载仍骤降。掺入1%钢纤维后，破坏模式转向更受控的开裂。而混杂纤维混合物（如1%PP+1%SF和2%PP+2%SF）则表现出分布更广的裂缝、减少的剥落以及更好的截面完整性，具有可测量的残余承载力，体现了两种纤维在抑制微裂纹发展和提供宏观裂缝桥接方面的协同作用。
3.3. 抗压强度
所有混合物均表现出高抗压强度。聚丙烯纤维的加入会略微降低抗压强度，而钢纤维则能显著提升圆柱体抗压强度（约17%）。混杂纤维在立方体抗压强度上显示出协同增强效应。研究还发现，圆柱体与立方体强度比反映了材料对约束的敏感性，L100系列比值较低，表明其基体本身更具脆性。
3.4. 弹性模量
研究确认了使用EGA导致弹性模量（24.4–31.6 GPa）显著低于传统UHPC（通常40-60 GPa），这是材料的一个关键特性。钢纤维能有效提高弹性模量，而聚丙烯纤维影响较小。在L100系列的高品质基体中，混杂纤维显示出正的协同效应。研究者还提出了一个基于抗压强度和纤维体积分数的弹性模量预测模型，拟合优度（R2）高达0.96。
3.5. 受压应力-应变关系
通过结合局部和全局测量技术，研究者获得了完整的应力-应变曲线。素混凝土和单一种类纤维增强的混凝土表现为脆性破坏，峰值后应力急剧下降。而混杂纤维混合物则表现出明显的延性行为，具有圆润的峰值和渐进的软化段，特别是2%PP+2%SF的配合比，能在较宽的应变范围内维持应力，呈现出稳定而长的残余应力段。
3.6. 弯曲性能
弯曲试验揭示了材料从脆性到延性的转变。素混凝土梁发生突然断裂。聚丙烯纤维仅能提供有限的残余强度。钢纤维的加入显著提高了弯曲强度（L80系列提高58%）和韧性。而高掺量的混杂纤维体系（2%PP+2%S）引发了显著的 deflection-hardening（挠曲硬化）响应，使弯曲强度提升高达157%，能量吸收能力（韧性）增强超过15倍，实现了多缝开裂和稳定的后峰值响应。DIC技术清晰地捕捉了裂缝的萌生和扩展过程，验证了纤维的桥接作用。
基于广泛的实验数据，研究者进行了理论分析，建立了实用的预测模型。对于弹性模量，提出了一个包含基体固有属性以及钢纤维和聚丙烯纤维贡献系数的经验公式。对于更为复杂的受压应力-应变全曲线，研究者提出了一个双模型方法：对于脆性响应的混合物，采用线性上升段和陡降的下降段；对于表现出延性响应的混杂纤维混合物，上升段采用经典的Carreira-Chu模型，下降段则引入一个有理函数模型，其中包含控制初始软化速率和尾部形状的参数k和p。该模型经过校准，能高精度地（R2 介于0.95至0.99之间）预测实验曲线。
本研究通过系统的实验和理论分析，深入揭示了膨胀玻璃骨料纤维增强超高性能轻质混凝土的力学行为。主要结论包括：成功制备出具有高强度（圆柱体抗压强度87-106 MPa）和显著减重（密度1809-2130 kg/m3）特性的UHPLWC；明确了使用EGA导致弹性模量低于传统UHPC这一关键权衡；证实了混杂纤维系统（钢纤维与聚丙烯纤维结合）能够有效将材料的受压行为从脆性破坏转变为延性软化，并诱导出显著的弯曲应变硬化行为，极大提升了材料的弯曲强度和能量吸收能力；最终，建立并验证了能够准确预测UHPLWC完整受压应力-应变关系的本构模型。
这项研究的重要意义在于，它不仅提供了一种兼具高性能和轻质化优势的新型可持续建筑材料的具体配方和性能数据库，而且通过深入机理分析和建立预测模型，为该材料在结构设计中的安全可靠应用奠定了坚实的理论基础。特别是提出的本构模型，能够帮助工程师在有限元分析等数值模拟中更准确地描述材料行为，从而加速UHPLWC在桥梁、高层建筑、预制构件等领域的推广应用，对推动建筑行业的绿色、低碳和高效发展具有积极影响。
