不同性能水泥基材料在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能及應(yīng)用研究

刊登期刊：《Construction and Building Materials》——[Volume 464], 21 February 2025, 140227

研究團(tuán)隊(duì)：Wu Shaokang a, Zhang Junwen a,\*, Xu Youlin b, Song Zhixiang a, Zhang Yang a, Dong Xukai a, Zeng Banquan a, Wang Shiji a, Xing Chaorui a, Bai Xuyang a, Zhang Suilin a, Li Xian a, Xu Weizheng a

研究背景與挑戰(zhàn)

現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)面臨著日益嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)荷載挑戰(zhàn)，從交通沖擊到地質(zhì)災(zāi)害，都對(duì)傳統(tǒng)水泥基材料提出了更高要求。作為建筑基礎(chǔ)設(shè)施的核心材料，混凝土及其衍生復(fù)合材料在抗壓強(qiáng)度方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其固有的脆性特征導(dǎo)致抗沖擊性能不足，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件中的安全性和耐久性。特別是在煤礦巷道支護(hù)、軍事防護(hù)工程等特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，材料在動(dòng)態(tài)荷載下的斷裂行為直接關(guān)系到工程安全。

研究現(xiàn)狀與不足

當(dāng)前研究存在三個(gè)顯著局限：

1. 單一材料研究為主，缺乏系統(tǒng)性對(duì)比分析

2. 宏觀力學(xué)響應(yīng)研究較多，微觀機(jī)理探索不足

3. 材料優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)濟(jì)性考量

創(chuàng)新研究方法

本研究采用多尺度研究方法：

1. 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)：通過分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)測(cè)試不同配比材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

2. 微觀結(jié)構(gòu)表征：結(jié)合SEM和X-CT技術(shù)分析破壞斷面的纖維-基體界面特性

3. 成本效益分析：建立材料性能-成本綜合評(píng)價(jià)模型

關(guān)鍵研究發(fā)現(xiàn)

1. 增強(qiáng)機(jī)理差異

- 鋼纖維(35‰)顯著提升動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度(增幅達(dá)42%)

- 橡膠顆粒(12%)使峰值應(yīng)變提高65%

- 聚丙烯纖維(6‰)改善抗裂性能，裂紋密度降低38%

2. 協(xié)同效應(yīng)機(jī)制

三元復(fù)合體系(20‰鋼纖維+6%橡膠+6‰聚丙烯纖維)展現(xiàn)性能：

- 能量吸收能力提升3.2倍

- 破壞時(shí)間延長至基準(zhǔn)組的2.5倍

- 成本控制在980元/噸以內(nèi)

3. 破壞模式轉(zhuǎn)變

- 基準(zhǔn)組：典型脆性斷裂

- 改良組：多裂紋分叉的韌性破壞

- 優(yōu)組：三維網(wǎng)狀裂紋擴(kuò)展

工程應(yīng)用價(jià)值

1. 性能導(dǎo)向的材料選擇指南

- 高能量吸收：12%橡膠+30‰鋼纖維

- 抗裂優(yōu)先：6‰聚丙烯纖維復(fù)合體系

- 綜合性能：三元復(fù)合設(shè)計(jì)方案

2. 經(jīng)濟(jì)效益

開發(fā)材料成本較傳統(tǒng)方案降低15-30%，其中：

- 高韌性配方：1098元/噸

- 標(biāo)準(zhǔn)改良配方：843元/噸

圖1 新型水泥基材料在煤礦中的應(yīng)用

圖2 試樣制作及SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡圖

圖4 不同SF含量試樣的裂紋擴(kuò)展與演化及相關(guān)設(shè)備

圖5 動(dòng)態(tài)沖擊下裂紋擴(kuò)展類型

圖6 不同性能水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)