不同准静态压缩条件下泡沫混凝土的力学与能量吸收特性研究

针对传统无侧限抗压强度测试无法准确表征泡沫混凝土能量吸收特性的问题，研究人员通过设计三种密度等级的泡沫混凝土，系统开展了无侧限压缩、贯入压缩和刚性侧限压缩试验。研究发现刚性侧限条件下材料平均压溃力效率达132.45%，能量吸收性能提升超700%，为缓冲吸能工程设计提供了重要理论依据。

　　

在工程防护和缓冲吸能领域，泡沫混凝土(FC)因其可控的密度和强度特性，被广泛应用于高速公路减速带、爆炸防护系统和飞机拦阻系统(EMAS)等场景。然而这种典型的多孔脆性材料在压缩过程中常出现显著剥落现象，传统无侧限抗压强度测试难以准确表征其能量吸收特性。更关键的是，当作为EMAS或长下坡逃生匝道的阻滞材料时，泡沫混凝土不仅需要承受压缩破坏，还需抵抗贯入损伤和各类剪切效应，这对材料利用率提出了更高要求。

针对这些工程痛点，长安大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。他们设计了500、600和700 kg/m³三种密度的泡沫混凝土试件，采用电液伺服压缩试验机开展三类准静态压缩试验：无侧限双板压缩、无侧限贯入压缩和刚性侧限贯入压缩，通过200Hz高频数据采集系统记录载荷-位移曲线，结合能量吸收效率(η)和平均等效压缩位移(Se)等参数进行定量分析。

3.1 压缩破坏模式分析
无侧限双板压缩呈现典型脆性破坏特征，当载荷达到22.09-35.10 kN时出现剥落现象，破碎块体不再参与承重，导致材料利用率低下。贯入压缩试验则显示"锥体"挤压作用引发的劈裂破坏，高密度试件表现出更强的贯入抗力和更深贯入深度。而在刚性侧限条件下，试件形成致密"圆饼"状变形，无剥落现象，实现了类似塑性多孔材料的理想压缩模式。

3.2 全载荷-位移曲线
刚性侧限使泡沫混凝土呈现显著应变强化效应，载荷曲线在达到弹性阶段后持续振荡上升。对比显示，相同密度下刚性侧限状态的平台应力比无侧限状态提高700%以上。这种强化主要源于压杆与混凝土界面不断增强的剪切和摩擦作用。

3.3 能量吸收特性分析
通过引入平均压溃力效率(C_le)等指标，研究发现刚性侧限条件下500 kg/m³试件的C_le达101.12%，700 kg/m³试件更提升至132.45%。能量吸收的离散系数从无侧限状态的28.59%降至0.23%，表明约束条件能显著提升性能稳定性。

这项研究的重要价值在于揭示了不同约束条件下泡沫混凝土的失效机理：刚性侧限通过抑制横向膨胀，将材料破坏模式转变为以压实为主导，使脆性材料获得类似塑性材料的理想变形特性。工程实践中采用刚性约束设计，可使泡沫混凝土的能量吸收能力提升7倍以上，平均压溃力效率提高30.98%，这为公路减速带、防护结构等能量吸收装置的优化设计提供了关键理论支撑。研究同时指出，由于摩擦和剪切效应，侧限条件下的性能参数可能存在高估，实际应用中需保留足够安全裕度。