高强度应变硬化纤维增强水泥基复合材料的三轴压缩性能：纤维混合效应与本构关系

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Triaxial compressive behavior of high-strength strain-hardening fiber-reinforced cementitious composites: Fiber hybridization effect and constitutive relations

高强超高性能水泥基复合材料（HS-UHTCC）在混合钢-聚乙烯纤维增强下的三轴抗压行为研究，发现围压增至120MPa时，材料强度提升244.54%-276.20%，围压超100MPa后呈现塑性行为，提出压力相关本构模型有效表征其硬化、软化及脆-韧转变特性。

　　高强超高韧性水泥基复合材料（HS-UHTCC）是一种结合了高抗压强度和显著抗拉延性的先进材料。这类材料在工程领域中具有广泛的应用前景，尤其是在海洋、地震和防护工程中。然而，当前对HS-UHTCC在多轴应力状态下的力学行为研究仍然较为有限，尤其是在高至极高围压条件下的研究几乎空白。本文通过实验研究了HS-UHTCC在不同钢-聚乙烯纤维混合比例下的三轴压缩性能，围压范围从0到120兆帕。研究结果表明，HS-UHTCC试件在三轴加载条件下主要表现出斜剪破坏模式。随着围压的增加，偏应力强度、轴向和侧向应变在峰值载荷下的表现均有显著提升。当围压增加至120兆帕时，峰值应力分别提高了244.54%和276.20%。值得注意的是，当围压超过100兆帕时，材料不再表现出软化行为，而是呈现出延性特征。这表明，在高围压条件下，HS-UHTCC的力学行为具有独特的表现。

在分析HS-UHTCC的三轴压缩性能时，研究者还采用了多种经典破坏准则，包括莫尔-库仑准则、幂律准则和Willam-Warnke准则。这些准则在一定程度上成功地捕捉了HS-UHTCC的三轴强度包络线。基于实验数据，本文还提出了一种基于压力的本构模型，该模型能够有效地描述HS-UHTCC在峰值前的硬化、峰值后的软化以及脆性到延性的转变过程。该模型仅需两个参数即可实现对三轴压缩状态下材料行为的准确表征，具有较高的实用性和可操作性。

本文的研究意义在于填补了当前对HS-UHTCC三轴压缩性能的空白，为材料在复杂应力状态下的应用提供了坚实的理论基础。首先，通过三轴压缩试验，研究团队获取了在高围压条件下材料的详细力学响应数据，这对于理解HS-UHTCC在极端条件下的行为至关重要。其次，系统地分析了纤维混合比例对三轴压缩性能和破坏模式的影响，这有助于优化材料设计，提高其在实际工程中的应用性能。第三，提出的本构模型不仅能够准确描述HS-UHTCC的应力-应变关系，还为其他高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCCs）的研究提供了参考。最后，评估了三种经典破坏准则在HS-UHTCC中的适用性，这为后续的力学和数值模拟分析提供了重要的理论支持。

HS-UHTCC作为一种新型高性能材料，其力学性能在传统材料中具有显著优势。在抗压强度方面，HS-UHTCC的数值远超普通混凝土，通常达到150兆帕以上。同时，其抗拉延性也远超传统混凝土，可以达到3%以上，这相当于普通超高性能混凝土（UHPC）的六倍。这种高强度与高延性的结合，使得HS-UHTCC在建筑结构、基础设施和防护工程中具有广阔的应用前景。然而，由于材料的复杂性，其在多轴应力状态下的行为研究仍存在诸多挑战。

在三轴压缩试验中，材料的破坏模式通常与围压密切相关。当围压较低时，HS-UHTCC试件表现出斜剪破坏，而随着围压的增加，材料的破坏形态逐渐发生变化。在围压超过100兆帕时，材料不再表现出软化，而是呈现出延性特征，这与传统混凝土在高围压下的行为形成鲜明对比。这一现象表明，HS-UHTCC在高围压下的行为具有独特的力学机制，需要进一步深入研究。此外，三轴压缩试验中材料的偏应力和体积响应也表现出与围压显著相关的特性，这进一步凸显了研究三轴压缩性能的重要性。

在材料和配制工艺方面，HS-UHTCC的配比设计基于前人的研究成果，并进行了优化。研究中使用了符合中国国家标准的P·II 52.5型硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，同时添加了符合国家标准的矿渣和硅粉。这些材料的粒径分布通过激光粒度分析仪进行了精确测定，以确保材料的均匀性和稳定性。通过合理的配比设计和工艺控制，HS-UHTCC能够实现高抗压强度和高抗拉延性的结合，这为其在工程中的应用奠定了基础。

在破坏形态方面，HS-UHTCC在无围压条件下的单轴压缩破坏表现出独特的特征。与传统混凝土相比，HS-UHTCC试件在破坏过程中保持较高的完整性，没有出现碎片化现象，这主要得益于纤维的增强作用。无论纤维混合比例如何变化，HS-UHTCC的破坏模式具有一定的相似性，主要表现为在试件垂直轴方向上形成少量斜剪裂缝。这种破坏形态的稳定性对于材料在实际工程中的应用具有重要意义。

在预测三轴压缩强度方面，研究团队提出了一种新的方法，旨在利用有限的低围压三轴压缩试验数据，准确预测高围压下的材料行为。通过对不同围压范围的分析，研究发现，仅依靠低围压数据进行回归分析可能无法准确预测高围压下的材料性能，因此需要结合高围压试验数据进行综合评估。这一方法的提出，为后续研究提供了新的思路，同时也为HS-UHTCC在实际工程中的应用提供了理论支持。

在HS-UHTCC的本构关系研究中，研究团队基于经典模型提出了新的应力-应变模型。该模型由上升和下降两个分支组成，能够准确描述材料在三轴压缩状态下的力学行为。通过分段式表达，模型能够有效捕捉材料在峰值前的硬化、峰值后的软化以及脆性到延性的转变过程。该模型仅需两个参数即可实现对三轴压缩状态下材料行为的准确表征，这大大简化了模型的应用过程，提高了其在工程中的实用性。

本文的研究成果不仅有助于理解HS-UHTCC在极端条件下的力学行为，还为材料在实际工程中的应用提供了重要的理论依据。通过三轴压缩试验，研究团队获取了在不同围压条件下材料的详细力学响应数据，这对于优化材料设计和提高其在实际工程中的应用性能具有重要意义。此外，提出的本构模型和破坏准则评估结果，为后续的力学和数值模拟分析提供了坚实的基础，同时也为其他高性能纤维增强水泥基复合材料的研究提供了参考。

在实际工程应用中，HS-UHTCC的力学性能具有显著优势。其高抗压强度和高抗拉延性的结合，使得该材料在面对极端荷载时表现出良好的结构安全性和韧性。在海洋环境中，HS-UHTCC能够有效抵抗海水侵蚀和腐蚀，提高结构的耐久性。在地震条件下，HS-UHTCC的延性特征能够有效吸收地震能量，减少结构破坏的风险。在防护工程中，HS-UHTCC能够承受爆炸和穿透冲击，提高结构的防护能力。因此，HS-UHTCC在这些领域中具有广泛的应用前景。

然而，当前对HS-UHTCC在多轴应力状态下的研究仍然较为有限。大多数研究集中在单轴压缩和拉伸性能，而对于三轴压缩状态下的行为研究较少。此外，现有研究中对纤维混合比例的影响分析不够系统，通常只关注单一纤维种类的含量，而忽视了纤维之间的协同作用。因此，进一步研究HS-UHTCC在多轴应力状态下的行为，对于优化材料设计和提高其在实际工程中的应用性能具有重要意义。

在破坏准则评估方面，研究团队采用了莫尔-库仑、幂律和Willam-Warnke三种经典准则。通过对实验数据的分析，研究发现，这些准则在一定程度上能够准确描述HS-UHTCC的三轴强度包络线。然而，由于HS-UHTCC的力学行为与传统混凝土存在显著差异，因此需要进一步研究这些准则在HS-UHTCC中的适用性。这一研究不仅有助于理解HS-UHTCC的力学行为，还为后续的工程设计和分析提供了重要的理论依据。

综上所述，本文的研究成果为HS-UHTCC在多轴应力状态下的力学行为提供了全面的分析和理解。通过三轴压缩试验，研究团队获取了在不同围压条件下的材料性能数据，为材料设计和工程应用提供了重要的参考。提出的本构模型和破坏准则评估结果，为后续的力学和数值模拟分析提供了坚实的理论基础。这些研究成果不仅有助于提高HS-UHTCC在实际工程中的应用性能，还为其他高性能纤维增强水泥基复合材料的研究提供了重要的借鉴。因此，本文的研究具有重要的科学意义和工程价值，为推动高性能材料的发展做出了积极贡献。