摘要

中国高原地区的混凝土结构因长期大昼夜温差而严重受热疲劳劣化。界面过渡区（ITZ）作为最薄弱环节，控制着此类热致损伤，但针对ITZ的定量指标仍不明确。为解决这一问题，开发了一种基于真实环境的加速测试，揭示了FA如何通过ITZ纳米刮痕深度/摩擦系数（COF）检测、硬度群体分析、原位热应力可视化以及ITZ分层图像识别，调控普通波特兰水泥（OPC）和低热水泥（LHC）中ITZ演变。结果显示，热疲劳循环（TFC）在1200循环后，纯OPC的ITZ最大宽度增加85.7%，碳硬度上升20%，伴随着碳-硅-氢密度降低、孔隙度增加（最大161%）以及微硬度降低21%。ITZ孔隙区的分层图像分析进一步量化了渐变孔径粗化，OPC表现出加剧的孔隙度梯度和LHC在TFC后表现出梯度平滑。FA作为ITZ的双重功能修饰剂，既作为应力扩散剂，也作为水合诱导的微修复剂，具体取决于结合剂的化学成分和剂量：在OPC系统中，FA促进ITZ的致密和结合，而在LHC中，FA作为填充剂重新分布应力并延缓局部断裂。优化剂量（≤30%）可优化ITZ孔隙度，分散微裂纹网络，减轻硬度损失;而过高的FA（>30%）则会导致界面区较弱，加速降解。识别出四种耦合机制：（i）骨料-浆料热不匹配开裂;（ii） 分级孔径粗化;（iii） C-S-H凝胶劣化;以及（iv）界面脱离。水分交换测试进一步验证了其机制：≤30%的氟化物量可减少最多1.5%的质量损失，而LHC的损失略高于OPC的0.2%。最后，利用随机森林回归的数据驱动建模确定ITZ宽度是强度演变的首要预测因子（VIM = 0.31），建立了ITZ扩展与宏观强度衰减之间的指数多尺度相关性。

研究背景

混凝土作为最广泛使用的建筑材料之一，是一种多相复合材料，由粗骨料、砂浆和界面过渡带（ITZ）组成，其协同相互作用决定了机械性能和耐久性[1]。ITZ是骨料与周围水泥浆之间的过渡区，特点是梯度孔隙剖面和局部富集的波特兰石（Ca（OH）2， CH）具有各向异性取向的晶体 [2,3]。这些固有的微观结构特征导致其性能低于水泥基体。关键是，骨料与水泥浆热膨胀系数差异加剧了ITZ在温度波动和外部载荷下局部应力集中的敏感性，导致体积变形不匹配[4]。在普通波特兰水泥（OPC）混凝土中，ITZ通常厚度为10–100微米[1]，是最薄弱的环节，决定了宏观性能退化的进程[4]。当骨料膨胀超过周围浆料时，ITZ和基体内会产生拉伸应力场。一旦变形超过临界阈值，微裂缝就会出现并扩散，最终聚合成巨裂纹，从而引发结构失效。因此，揭示混凝土在循环热条件下的降解机制需要优先考虑ITZ行为。

研究内容

该研究围绕FA混合LHC混凝土在热梯度效应下的界面降解机制展开，通过与无FA和OPC的LHC混凝土对比，进行多尺度性能表征。TFC在混凝土中引发多尺度损伤级联反应，主要由ITZ处的四个耦合机制驱动。不同材料热膨胀系数不同，在温度变化时产生应力，导致裂纹起始。例如在OPC中ITZ宽度可达85.7%，LHC中可达68.0%，这表明在这两种混凝土中，热膨胀不匹配对ITZ宽度的影响较为显著。在0 - 50微米ITZ带孔隙度增加最多161%，孔隙的增大使得混凝土结构的密实性降低，从而影响其性能。表现为微硬度降低21%，C - S - H凝胶是混凝土强度的重要来源，其劣化会导致混凝土强度下降。平均COF上升约10 - 20%，με微应变峰值xx_max≈ 3.6 在OPC中，界面脱粘会破坏混凝土内部的结构完整性，加速性能下降。这些过程共同作用，使得ITZ成为损伤传播的薄弱环节，影响混凝土的整体性能。

图表说明

图1 抗压强度：（a）带FA的LHC混凝土;（b）带FA的OPC混凝土

图2 超声脉冲速度：（a）带FA的LHC混凝土;（b）带FA的OPC混凝土

图3 质量变化：（a）带FA的大型强子对撞机混凝土;（b）带有FA的OPC混凝土;质量变化率为：（c）含FA的LHC混凝土;（d） 带有FA的OPC混凝土

图4 OPC和LHC混凝土样品的典型ROI和三维重建模型（R：样品在TC之前;T：1200周期后采样）

图5 （a）：每张切片图像的孔隙分布频率图及基于X-CT图像的典型ROI平均孔隙度;（b）：所有ROI中OPC和LHC中平均缺陷直径的定量分析（R：无TC样品;T：1200周期后的样品）;（c–f）：缺陷半径频率分布条形图及ROI累计图，灰色代表参考样品，红色代表1200周期后的样品（c：PC0;d：LC0;e：PC30;f：LC30）

图6 混凝土样品沿骨料外向的典型孔隙度分布（R：无TC样品;T：1200周期后采样）图7 1200 TFC后的ITZ孔隙度指标。（a） 界面孔隙度梯度的变化;（b） ITZ 过剩孔隙度相对于基体的变化;（c） 0–20、20–50 和 50–200 μm 区间的能带解析粗化指数（CI），在投资回报率（ROI）上平均图8 TFC前后所有样品的BSE图像

图9 （a） LC30样品的相分布图像，突出显示Al、Ca和Si;（b） EDS统计区示意图;（c）LC0-T的典型BSE/EDS图像，带有EDS点;（D–E）散点图（1：1红线以上的点表示基体中Ca/Si比ITZ附近高）以及OPC-FA和LHC-FA混凝土不同区域的分布统计曲线（点选自典型凝胶区域，而非高亮的块状晶体斑点）

图10 （a） PC0-R 样本的等高线图（红色边框勾勒出整体），其粗糙度算术均值为 （R）a）ROI轮廓测得为0.418微米;（b） 等高线图的3D视图，突出叠加在原始图像上的深度变化，以及跨ITZ的线扫描粗糙度剖面

结论

    本研究中，作者研究了FA混合LHC混凝土在热梯度效应下的界面降解机制。通过与无FA和OPC的LHC混凝土进行比较，进行了多尺度性能的表征，包括0、400、800、1200循环后ITZ附近的宏观机械性能、微观结构和微观力学性能。在现有材料（OPC/LHC，FA = 0–50%）和应用TFC环境（5–45°C）下，得出以下结论： 

（1) TFC在混凝土中引发多尺度损伤级联反应，主要由ITZ处的四个耦合机制驱动：（i）骨料与浆料热膨胀不匹配导致裂纹起始（例如，OPC中ITZ宽度可达85.7%，LHC中可达68.0%），（ii）孔隙粗化（0–50微米ITZ带孔隙度增加最多161%），（iii）C-S-H凝胶劣化（表现为微硬度降低21%），以及（iv）界面脱粘（平均COF上升约10–20%，με微应变峰值）xx_max≈ 3.6 在 OPC 中）。这些过程共同加速了性能下降，ITZ 是损伤传播的薄弱环节。

（ 2) 在研究的FA替代水平中，FA通常作为双重功能调节因子（应力再分布和微观结构精细化）。低至中等剂量（≤30%）通过精化缺陷/孔隙度和促进更连续的水合物网络（通过OPC中的火山灰致密化和LHC的物理填充）来改善界面完整性，这与多种混合中性能损失的减少相符。相比之下，较高的FA替代（例如50%）显示出更高的微观结构异质性（未反应颗粒/额外界面），这可能促进长期循环过程中损伤积累。

（ 3) FA的影响依赖于结合剂。在OPC中，较高的碱度有利于FA火山灰反应和额外的C-（A）-S-H/C-S-H的形成，这些反应能使ITZ密实化，并在早期阶段降低界面对比度（例如，靠近ITZ的Ca/Si相较参考态更低）。在LHC中，较低的CH储备/碱度限制了FA的反应性;因此，FA主要通过微填补和梯度平滑（如Δ∇）来贡献力量φITZ≤ 0 出现在多个 LHC-FA 混合物中），导致微裂纹模式更分散，而非强局限界面走廊。 （4) FA剂量对耐久性有关键影响。在OPC中，≤30%的FA增强早期强度（初始周期UPV增加10%），并减少最多1.5%的质量损失，但>30%FA促进未反应颗粒积累，提高ITZ宽度和孔隙度（例如，PC50 ITZ宽度可回升至38.87微米）。对于LHC，低剂量（<10%）优化物理填充，而较高FA则导致ITZ向外粗化（CI50-200最高可达0.463）以及更高的质量损失（比OPC高0.2%）。这些观察为当前测试范围内的实际剂量“窗口”定义了应用，应在更广泛的混合和暴露条件下得到验证。

（ 5) 随机森林分析确定ITZ宽度是压缩强度（VIM = 0.31）最有影响力的预测因子，超过孔隙度（VIM = 0.12）和质量损失（VIM = 0.27）。建立了指数相关性：fc(wi） = 91.813 ·exp（-0.0085 ·wi），证明强度随着ITZ膨胀呈指数衰减。 6) 本研究通过加速测试（5–45°C，1.5 °C/min）阐明TFC机制，但其局限性包括实验室条件的简化与现实多物理因素的差异。未来工作应整合原位湿度追踪，扩展至多种结合剂和聚料，并采用多尺度模拟以解耦热、湿度和成分效应，以实现通用预测框架