矿渣水泥动静态荷载下力学性能与破坏行为的微观机制及优化研究

本研究针对矿山支护工程中矿渣水泥在动静态荷载下的性能优化问题，通过SEM/XRD微观分析结合TDW-600静态试验与SHPB动态冲击测试，揭示矿渣含量（20%-40%）对AFt/C-S-H凝胶网络形成及裂纹扩展的调控机制，为绿色建材开发提供理论支撑。

　　

在"双碳"战略推动下，冶金矿渣的资源化利用成为矿业绿色转型的关键课题。随着矿井开采深度增加，传统水泥基支护材料面临动态冲击地压与静态围岩压力的双重挑战，其破坏机制尚不明确。河北某高校联合四川高校重点实验室的研究团队在《Materials Today Communications》发表论文，首次通过多尺度方法揭示了矿渣掺量对水泥材料抗冲击性能的阈值效应。

研究采用三大核心技术：①TDW-600刚性试验机与XTDIC三维应变测量系统进行静态压缩/巴西劈裂测试；②Φ74mm SHPB分离式霍普金森杆装置实现动态冲击；③PFC^2D颗粒流软件模拟裂纹演化过程。样本队列包含0%-60%矿渣掺量的水泥试件。

【机械性能与组分分析】
静态测试表明：矿渣掺量40%时圆柱试件抗压强度达峰值（98.5MPa），20%时巴西圆盘试件抗拉强度最优（7.3MPa）。XRD显示矿渣促进AFt（钙矾石）晶体交织成三维网络，SEM观察到C-S-H凝胶（水化硅酸钙）填充孔隙使基质致密化。

【动态冲击响应】
SHPB试验发现：上述最优配比试件的应力波上升沿更陡峭，动态峰值荷载提高23%-31%。DIC应变场显示矿渣掺量超过阈值后，剪切裂纹占比从38%降至21%，而拉伸裂纹重新活跃。

【数值模拟验证】
PFC^2D重建了裂纹演化路径：静态荷载下40%矿渣试件的剪切裂纹占比达57%，动态冲击时20%矿渣试件形成放射状拉伸裂纹。模拟结果与实验破坏形貌高度吻合，证实矿渣通过改变裂纹扩展模式影响材料韧性。

结论部分指出：矿渣通过双重机制调控性能——C-S-H凝胶提升基质密实度，AFt晶体增强三维网络韧性。当矿渣掺量达40%（抗压）或20%（抗拉）时，材料呈现最优的动静态协同效应。该研究为矿山支护材料设计建立了"组成-结构-性能"的定量关系模型，其提出的矿渣阈值效应被编辑部评价为"固体废弃物高值化利用的里程碑式发现"。值得注意的是，环氧树脂涂层（见Feng等前期研究）对矿渣水泥的增强机制在本研究中被重新诠释，证实其作用效果与矿渣含量存在耦合关系。团队后续将开展Al₂O₃组分调控对AFt晶体形貌的影响研究。