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

研究團隊：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

現代土木工程結構面臨著日益嚴峻的動態荷載挑戰，從交通沖擊到地質災害，都對傳統水泥基材料提出了更高要求。作為建筑基礎設施的核心材料，混凝土及其衍生復合材料在抗壓強度方面表現優異，但其固有的脆性特征導致抗沖擊性能不足，嚴重影響結構在突發事件中的安全性和耐久性。特別是在煤礦巷道支護、軍事防護工程等特殊應用場景中，材料在動態荷載下的斷裂行為直接關系到工程安全。

研究現狀與不足

當前研究存在三個顯著局限：

1. 單一材料研究為主，缺乏系統性對比分析

2. 宏觀力學響應研究較多，微觀機理探索不足

3. 材料優化設計缺乏經濟性考量

創新研究方法

本研究采用多尺度研究方法：

1. 動態沖擊試驗：通過分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統測試不同配比材料的動態力學參數

2. 微觀結構表征：結合SEM和X-CT技術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-成本綜合評價模型

關鍵研究發現

1. 增強機理差異

- 鋼纖維(35‰)顯著提升動態抗壓強度(增幅達42%)

- 橡膠顆粒(12%)使峰值應變提高65%

- 聚丙烯纖維(6‰)改善抗裂性能，裂紋密度降低38%

2. 協同效應機制

三元復合體系(20‰鋼纖維+6%橡膠+6‰聚丙烯纖維)展現性能：

- 能量吸收能力提升3.2倍

- 破壞時間延長至基準組的2.5倍

- 成本控制在980元/噸以內

3. 破壞模式轉變

- 基準組：典型脆性斷裂

- 改良組：多裂紋分叉的韌性破壞

- 優組：三維網狀裂紋擴展

工程應用價值

1. 性能導向的材料選擇指南

- 高能量吸收：12%橡膠+30‰鋼纖維

- 抗裂優先：6‰聚丙烯纖維復合體系

- 綜合性能：三元復合設計方案

2. 經濟效益

開發材料成本較傳統方案降低15-30%，其中：

- 高韌性配方：1098元/噸

- 標準改良配方：843元/噸

圖1 新型水泥基材料在煤礦中的應用

圖2 試樣制作及SHPB實驗系統

圖3 動態應力平衡圖

圖4 不同SF含量試樣的裂紋擴展與演化及相關設備

圖5 動態沖擊下裂紋擴展類型

圖6 不同性能水泥基材料的微觀結構