考虑循环损伤的泥岩-矿渣基防水复合材料的本构模型及渗透演化特性

《Frontiers in Earth Science》：Constitutive model and permeation evolution characteristics of mudstone-slag-based waterproofing composites considering cyclic damage

本研究制备了泥石-矿渣基防水复合材料（MSWC），通过单轴循环加载测试结合SEM、CT及渗透性试验，揭示了N次循环对力学性能和孔隙结构的影响，建立了基于威布尔分布的损伤本构模型，验证了其在煤矿废石堆生态修复中的应用可行性。

　　在现代工业发展过程中，尤其是能源需求日益增长的背景下，露天煤矿开采活动对生态环境造成了深远影响。这类活动不仅改变了地表形态，还破坏了原有的水文地质结构，导致地下水流失和地表沉降等问题。此外，由于矿渣等材料的结构松散且渗透性较强，煤矿废料堆的水存储能力受到严重限制，给矿区生态恢复和土地复垦带来了巨大挑战。因此，如何构建一种具有优良防水性能和足够强度的材料，成为解决这一问题的关键。

针对上述问题，研究人员提出了一种基于泥岩和矿渣的防水复合材料（Mudstone-Slag-Based Waterproof Composite, MSWC），旨在为露天煤矿废料堆的重建防水层提供一种创新性的解决方案。该材料由泥岩、矿渣、废石骨料以及碱性催化剂组成，其主要优势在于利用了天然存在的泥岩材料，同时结合了矿渣等工业副产品，不仅降低了材料成本，还提升了其抗渗性能。通过一系列实验手段，如单轴循环加载和卸载（UCLU）、渗透测试、扫描电镜（SEM）和计算机断层扫描（CT）等，研究人员全面分析了MSWC在不同循环次数下的性能变化，从而揭示其在循环载荷作用下的损伤演化规律。

研究发现，随着循环次数（N）的增加，MSWC的单轴抗压强度（UCS）和刚度呈现出显著的指数级下降趋势。具体而言，当循环次数从0增加到25、50和100时，单轴抗压强度分别下降了6.56%、13.13%和16.49%，而刚度则下降了9.46%、12.43%和19.73%。同时，材料的孔隙率也从初始的1.62%逐渐上升至2.31%、2.56%和2.67%。这种性能变化主要归因于材料内部微裂缝和孔隙的逐渐扩展，导致材料整体的结构完整性下降，从而降低了其承载能力和防水性能。随着循环次数的增加，材料内部的损伤逐渐趋于稳定，其渗透性也随之趋于平衡状态，表明材料在一定循环次数后达到性能饱和。

为了更深入地理解MSWC的损伤机制，研究团队结合了扫描电镜和计算机断层扫描技术，对材料在不同循环次数下的微观结构和孔隙分布进行了系统分析。扫描电镜结果显示，随着循环次数的增加，材料内部的微裂缝和孔隙数量逐渐增多，并且在高循环次数下，这些裂缝和孔隙开始相互连接，形成较大的通道，进一步加剧了材料的渗透性。而计算机断层扫描则提供了三维视角下的孔隙结构信息，使得研究人员能够直观地观察到材料内部的损伤分布和演化趋势。实验表明，材料的孔隙主要集中在试件的两端，这表明在循环载荷作用下，应力集中现象是导致损伤的主要原因之一。

此外，研究团队还探讨了MSWC在不同循环次数下的能量演化特征。通过单轴压缩试验，研究人员发现随着循环次数的增加，试件的总应变能和耗散能逐渐上升，而弹性应变能则呈下降趋势。这表明材料在循环载荷作用下，其内部结构的损伤逐渐积累，导致能量吸收能力下降。在循环次数较小时，材料表现出较高的应变能，而在循环次数达到一定阈值后，其能量吸收能力趋于稳定。这一现象为理解MSWC在循环载荷下的力学响应提供了重要依据。

基于以上实验数据，研究团队进一步构建了MSWC的损伤本构模型。该模型结合了Weibull分布理论和Lemaitre应变等效理论，以描述材料在不同循环次数下的损伤演化过程。模型中的关键参数，如ε?和m，分别代表了材料的初始损伤水平和微单元强度分布的集中程度。通过对比实验数据和理论模型的计算结果，研究人员发现该模型能够很好地拟合实际测试曲线，其拟合度超过98%。这一结果表明，所提出的MSWC损伤本构模型具有较高的准确性和适用性，可以有效地描述材料在循环载荷作用下的损伤演化全过程。

在实验过程中，研究人员还发现，MSWC的渗透性与材料的孔隙率密切相关。随着循环次数的增加，材料的孔隙率上升，渗透性也随之增强。特别是在循环次数超过50次后，渗透性趋于稳定，表明材料内部的损伤已经达到了饱和状态。这一现象对于实际应用具有重要意义，因为这意味着在一定的循环次数后，材料的性能不再发生显著变化，可以作为工程设计中的参考依据。

从材料的组成和性能来看，MSWC在循环载荷作用下的表现具有显著的工程价值。首先，其使用了天然存在的泥岩和工业副产品矿渣，不仅降低了材料的获取成本，还减少了对环境的额外影响。其次，材料在循环载荷下的性能变化规律清晰，能够为实际工程中材料的使用提供理论指导。此外，通过构建损伤本构模型，研究人员为材料的性能预测和优化设计提供了有力的工具，使得在实际应用中可以更准确地评估材料的承载能力和防水性能。

在实际应用中，MSWC可以被广泛用于露天煤矿废料堆的防水层构建，以提高废料堆的水存储能力和生态恢复效果。由于其具有低渗透性和高承载能力，MSWC在水文地质工程中展现出良好的应用前景。同时，其材料的可再生性和低成本特性，也符合可持续发展的要求。在工程实践中，研究人员可以通过调整材料的配比和施工工艺，进一步优化MSWC的性能，以满足不同地质条件和工程需求。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和理论建模，揭示了MSWC在循环载荷作用下的性能变化规律和损伤演化机制。研究成果不仅为露天煤矿废料堆的生态恢复提供了新的材料选择，还为相关领域的工程实践提供了重要的理论支持。未来，随着对MSWC性能的进一步研究和优化，该材料有望在更多工程场景中得到应用，为解决类似工程问题提供有效的解决方案。