三轴荷载下多甲基聚苯基异氰酸酯改性废弃泥浆的强度特性与损伤本构模型研究

为解决废弃泥浆(PS)环境危害大、力学性能差的问题，研究人员采用多甲基聚苯基异氰酸酯(PM-200)改性技术，通过三轴压缩试验系统探究了围压、PM-200含量和含水率对改性泥浆力学行为的影响。研究发现PM-200可显著提升剪切强度（最高达2.2倍），但会增强材料脆性；建立的考虑残余强度的统计损伤本构模型能精准描述应力-应变关系，并通过BP神经网络-遗传算法混合优化方法实现了参数反演。该研究为废弃泥浆资源化利用提供了理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，建筑和工程领域产生的废弃泥浆(PS)已成为严峻的环境挑战。这些泥浆含水量高、力学性能差，传统填埋处理不仅占用土地，还存在污染风险。如何将PS转化为可用的工程材料，成为研究者关注的焦点。多甲基聚苯基异氰酸酯(PM-200)作为一种高效有机固化剂，通过与水反应生成聚脲，能够改善泥浆的力学性能，但其改性机制和工程适用性仍需深入探究。

为系统评估PM-200改性泥浆的力学特性，Ping Jiang团队开展了一系列三轴压缩试验。研究首先通过颗粒筛分、化学组成分析等手段表征了浙江绍兴地区废弃泥浆的基本性质，发现其主要成分为SiO₂和Al₂O₃，液限为41%，塑限20.5%。随后采用标准圆柱试样（直径39.1mm×高80mm），在不同围压（100-400kPa）、PM-200含量（0-5%）和含水率（13-21%）条件下进行测试，剪切速率设定为1mm/min以模拟实际工况。

关键技术方法

研究采用三轴压缩试验机获取应力-应变曲线，通过Mohr-Coulomb准则计算剪切强度参数；利用盒维数法量化裂缝分形维度；基于Weibull分布构建统计损伤本构模型，并创新性地结合BP神经网络、遗传算法（采用三区域分布策略）和贝叶斯优化进行参数反演，形成闭环反馈系统。

研究结果

3.1 应力-应变曲线

随着PM-200含量从0%增至5%，PS剪切强度提升1.9-2.2倍，但峰值后曲线陡降，表明脆性增强。含水率从13%升至17%时，强度降低25-44%，这是由于水分削弱了PM-200膜层刚度。高围压下（300-400kPa），曲线呈现硬化特征，说明侧向约束抑制了裂纹扩展。

3.3 破坏模式

低PM-200含量（1%）时，试样呈共轭剪切破坏，裂缝分形维数较高；而高含量（5%）下转变为单一清晰剪切面，分形维数降低。含水率增加导致多裂纹产生，但低含水率（13%）试样因致密聚脲结构而呈现整体脆性破坏。

4.1 随机损伤理论

建立的统计损伤本构模型引入残余强度参数（σ_r），其表达式为σ₁=σ₃+(Eε₁+2μσ₃)(1-D)+σ_rD，其中损伤变量D=1-exp[-(S/η)^m]，S为基于Mohr-Coulomb准则的应力水平。

4.3 本构模型参数优化

形状参数m与材料脆性正相关：PM-200含量从1%增至5%时，m值从4.35升至9.78；而围压升高使m值降低（如P3W15试样在100kPa时m=8.22，400kPa时降至1.50）。尺度参数η反映微元体平均强度，在200-300kPa围压下达到峰值。

5.2 模型参数意义

参数分析表明，低含水率（13%）和高PM-200含量（5%）协同提高η值（如P5W15试样η=5493），说明微观结构更均匀；而m值增大（P5W15达9.78）印证了脆性增强，与裂缝分形维数下降的试验现象一致。

结论与展望

该研究揭示了PM-200改性泥浆的强度提升与脆化机制，建立的损伤本构模型能精准预测不同工况下的力学响应。混合优化算法有效解决了传统方法易陷入局部最优的问题。未来研究可聚焦于：1）区分自由水与结合水对固化过程的影响；2）通过纤维增韧改善材料脆性。成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为废弃泥浆在路基填料等工程应用提供了理论依据和技术支撑。