不同性能水泥基材料在冲击荷载作用下的力学性能及应用研究

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

研究团队：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

研究背景与挑战

现代土木工程结构面临着日益严峻的动态荷载挑战，从交通冲击到地质灾害，都对传统水泥基材料提出了更高要求。作为建筑基础设施的核心材料，混凝土及其衍生复合材料在抗压强度方面表现优异，但其固有的脆性特征导致抗冲击性能不足，严重影响结构在突发事件中的安全性和耐久性。特别是在煤矿巷道支护、军事防护工程等特殊应用场景中，材料在动态荷载下的断裂行为直接关系到工程安全。

研究现状与不足

当前研究存在三个显著局限：

1. 单一材料研究为主，缺乏系统性对比分析

2. 宏观力学响应研究较多，微观机理探索不足

3. 材料优化设计缺乏经济性考量

创新研究方法

本研究采用多尺度研究方法：

1. 动态冲击试验：通过分离式霍普金森压杆(SHPB)系统测试不同配比材料的动态力学参数

2. 微观结构表征：结合SEM和X-CT技术分析破坏断面的纤维-基体界面特性

3. 成本效益分析：建立材料性能-成本综合评价模型

关键研究发现

1. 增强机理差异

- 钢纤维(35‰)显著提升动态抗压强度(增幅达42%)

- 橡胶颗粒(12%)使峰值应变提高65%

- 聚丙烯纤维(6‰)改善抗裂性能，裂纹密度降低38%

2. 协同效应机制

三元复合体系(20‰钢纤维+6%橡胶+6‰聚丙烯纤维)展现性能：

- 能量吸收能力提升3.2倍

- 破坏时间延长至基准组的2.5倍

- 成本控制在980元/吨以内

3. 破坏模式转变

- 基准组：典型脆性断裂

- 改良组：多裂纹分叉的韧性破坏

- 优组：三维网状裂纹扩展

工程应用价值

1. 性能导向的材料选择指南

- 高能量吸收：12%橡胶+30‰钢纤维

- 抗裂优先：6‰聚丙烯纤维复合体系

- 综合性能：三元复合设计方案

2. 经济效益

开发材料成本较传统方案降低15-30%，其中：

- 高韧性配方：1098元/吨

- 标准改良配方：843元/吨

图1 新型水泥基材料在煤矿中的应用

图2 试样制作及SHPB实验系统

图3 动态应力平衡图

图4 不同SF含量试样的裂纹扩展与演化及相关设备

图5 动态冲击下裂纹扩展类型

图6 不同性能水泥基材料的微观结构