近日，我院魏洋教授团队在国际期刊《Industrial Crops & Products》上发表题为“Effects of freeze-thaw cycles and sustained stress on the durability and long-term deformation behavior of bamboo coarse aggregate concrete”的研究论文。该期刊为中科院一区Top期刊，最新影响因子为6.4。论文围绕生物质竹骨料混凝土（BAC）长期服役过程的冻融耐久性、变形机理及预测模型等关键问题，系统开展研究，揭示了BAC在冻融循环和持续荷载作用下的多尺度损伤演化机制，并建立了适用于BAC的收缩、徐变及冻融性能预测模型。博士研究生王高飞为论文第一作者，魏洋教授为通讯作者。
BAC的粗骨料组成
生物质竹骨料混凝土（BAC）以天然毛竹作为粗骨料，有望部分替代天然粗骨料，减少天然砂石资源消耗，实现农林副产品资源化利用，具有良好的绿色低碳发展潜力。论文采用环氧砂浆对生物质竹骨料进行表面改性，制备了不同竹骨料取代率的BAC，并开展了长达360天的收缩与徐变试验以及100次冻融循环试验。同时，结合SEM、EDS、FTIR、XRD、NMR、CT扫描及纳米压痕等多尺度测试技术，对BAC的宏观性能退化、孔隙结构演化、界面过渡区（ITZ）损伤及竹骨料微观结构变化进行了系统分析。
研究结果表明，BAC具有更高的吸水率和自由水含量，导致冻融过程中更多可冻结水聚集于ITZ，加速了冻胀损伤的发展。研究发现，60次冻融循环是BAC性能退化的临界节点，竹骨料吸水特性暴露，ITZ迅速劣化，裂缝沿竹骨料周围界面呈放射状扩展，引起混凝土抗压强度和动弹性模量快速下降。CT三维重构进一步证实，孔隙率、等效孔径及大孔数量均随冻融循环次数和竹骨料取代率增加而持续增大，宏观力学性能退化与微观孔隙、裂缝演化具有良好的对应关系。
不同竹骨料取代率下BAC的T₂弛豫时间及信号强度
BAC在不同冻融循环次数下的表观形态
BAC在不同冻融循环次数下的抗压强度和相对动弹性模量
冻融循环前后ITZ的SEM图像
冻融循环前后竹骨料、ITZ及水泥基体的性能变化
冻融循环下BAC的三维孔隙重构
此外，研究团队系统揭示了BAC长期收缩与徐变的发展规律及形成机制。结果表明，BAC收缩和徐变均呈现明显的三阶段发展特征，其长期变形高于普通混凝土，并随竹骨料取代率增加而增大。研究发现，竹骨料较低的弹性模量、较厚且薄弱的ITZ以及竹材各向异性共同导致局部应力集中和界面微裂缝扩展，是长期变形增大的根本原因。
基于长期试验结果，研究团队进一步在GL2000收缩模型和CEB-FIP 2010徐变模型基础上，引入与竹骨料取代率相关的经验修正系数，建立了适用于BAC的收缩与徐变预测模型；同时构建了不同冻融循环次数和竹骨料取代率条件下抗压强度、强度损失率及相对动弹性模量预测公式，可较准确预测BAC长期服役性能。
BAC的收缩和徐变变形发展
收缩应变和徐变系数理论模型预测值与试验值对比
论文研究对深入揭示BAC长期服役性能及损伤机制，推动生物质骨料混凝土工程应用提供参考意义。
供稿：王高飞；供图：王高飞；审核：魏洋；编辑：许历隆
