纤维类型与掺量对水泥-铁尾矿泡沫复合材料动态力学性能及能量耗散机制的影响研究

《Materials & Design》：Dynamic mechanical properties and energy dissipation analyses of cement-iron ore tailings foam composites with various fiber types and contents

本刊推荐：为解决铁尾矿(IOT)环境污染及传统泡沫混凝土抗冲击性能不足的问题，研究人员系统开展了玻璃纤维(GF)、玄武岩纤维(BF)和聚乙烯醇纤维(PVAF)增强水泥-铁尾矿泡沫复合材料(CIFC)的动态力学性能研究。通过SHPB实验发现，纤维掺量为2.0%时CIFC动态性能最优，其中GF增强试样动态抗压强度最高(250 s?1时达18.21 MPa)，而PVAF增强试样冲击后结构完整性最佳。能量耗散分析表明GF2.0试样的应变能密度(SED)可从262.48提升至1300.29 kJ/m3。该研究为设计抗冲击工程结构提供了重要理论依据。

　　

随着矿产资源的持续开发，铁尾矿(Iron Ore Tailings, IOT)的大量堆存引发了严峻的环境挑战，包括水体污染、土地占用和资源浪费。尽管发达国家已有效处理尾矿问题，但中国、印度等发展中国家因尾矿利用率低仍面临巨大压力。将IOT应用于建筑材料行业被视为一种可行的解决方案。水泥-铁尾矿泡沫复合材料(Cement-Iron Ore Tailings Foam Composite, CIFC)作为一种新型泡沫混凝土，通过用IOT部分替代水泥，不仅有助于减少环境污染、降低材料成本，还能基本保持泡沫混凝土的关键性能。因其优异的能量吸收和缓冲能力，泡沫混凝土被广泛应用于飞机拦阻系统、桥墩防撞系统、高速公路和隧道衬砌等工程中，以抵抗冲击和爆炸荷载。然而，目前对CIFC力学性能的研究主要集中在准静态条件下，对其在高应变率下的动态响应研究十分有限。

纤维的掺入可以通过改善材料的孔隙结构来影响泡沫混凝土的力学性能。已有研究探讨了碳纤维、玻璃纤维(Glass Fiber, GF)、玄武岩纤维(Basalt Fiber, BF)和聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber, PVAF)等对泡沫混凝土性能的增强效果。不同种类的纤维通过独特的微观机制影响泡沫混凝土的宏观力学性能。然而，关于不同纤维类型及其掺量对CIFC动态行为影响的系统性研究尚属空白，这阻碍了CIFC在动态或冲击荷载应用中的优化设计。

为填补这一空白，本研究旨在阐明纤维类型对CIFC动态抗压强度、破坏模式和应力-应变响应的影响；量化纤维掺量对动态增强因子(Dynamic Increase Factor, DIF)和能量吸收能力的影响；并将纤维诱导的微观结构机制与冲击过程中的宏观能量耗散相关联。为此，研究人员制备了掺有三种纤维类型(GF、BF、PVAF)、掺量范围1.0%至2.5%的CIFC试件。研究首先通过X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)进行物相鉴定，并通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)观察微观结构。随后使用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置在高应变率(120–250 s^?1)下测试动态性能。基于破坏模式、应力-应变曲线、抗压强度和DIF分析了动态行为。最后，进行了能量分析以探索能量耗散特性。

本研究主要采用了以下关键技术方法：采用化学发泡法制备了密度为800 kg/m³的CIFC圆柱体试件；利用XRD和SEM分析了不同纤维参数下CIFC的物相组成和微观结构特征；通过SHPB系统对试件进行高应变率动态压缩试验，应变率范围覆盖120 s^?1、200 s^?1和250 s^?1；基于一维应力波理论处理SHPB试验数据，获取动态应力-应变曲线、动态抗压强度、DIF等力学参数；并进一步计算了应变能密度(Strain Energy Density, SED)、能量耗散比(Energy Dissipation Ratio, R)和耗散能密度(Dissipated Energy Density, E_V)等能量参数，以评估材料的能量耗散特性。

相组成和CIFC的微观结构

XRD分析表明，与GF增强的CIFC相比，BF和PVAF增强的CIFC试件显示出更高的层状双氢氧化物(Layered Double Hydroxide, LDH)、钙矾石(Ettringite, AFt)和方解石(Calcite, CaCO₃)含量，以及减少的氢氧化钙(Portlandite, Ca(OH)₂)含量。这表明BF和PVAF的物理性质（如分散性、亲水性和刚度）更有利于促进水化产物的转化。SEM分析揭示了不同纤维参数下CIFC的孔隙形态和纤维-基体界面特性。纵向看，纤维类型显著影响分散和粘结行为。亲水的无机GF和BF倾向于形成簇状束，而PVAF通过表面羟基介导的空间位阻稳定实现单丝分散。在低掺量（1.0%, 1.5%）下，稀疏的纤维分布导致桥接不足，产生不规则孔隙、松散基体和微裂纹。最佳纤维掺量2.0%促进了均匀孔隙的形成和完整的界面粘结，增强了所有纤维类型的抗压强度和能量耗散。超过2.0%的阈值后，过量的纤维掺量（2.5%）会引入缺陷。

动态力学行为

破坏模式

在冲击荷载下，GF和BF增强的CIFC试件表现出明显的脆性破坏，碎裂成细小的碎屑和粉末。这种脆性源于无机纤维的高刚度和低断裂应变，对延性的改善有限。相比之下，PVAF增强的CIFC表现出显著改善的延性和明显的应变率敏感性。在低应变率下，试件仅出现微裂纹和剥落，保持结构完整性。随着应变率增加，损伤变得更严重，表现为宏观变形和广泛的纤维拔出。在所有样品中，2.0% PVAF试件由于改善的水化、均匀的孔隙结构和强的纤维-基体粘结而显示出最完整的结构。

动态力学性能

CIFC的动态压缩应力-应变曲线均显示出三个特征阶段：初始线性弹性区、硬化率降低的非线性塑性阶段以及通常伴随软化的峰后压实阶段。随着应变率增加，阶段间的转变更加平缓，反映了延性增强和破坏前更广泛的非弹性变形。峰值应力及其对应的应变均表现出明显的应变率依赖性。动态力学性能通过动态抗压强度(f_d,s)和DIF（定义为动态与准静态抗压强度的比值）进行评估。所有CIFC试件的动态性能总结显示，在约120、200和250 s^?1的应变率下，动态抗压强度和DIF均随应变率增加。

应变率效应

CIFC的抗压强度随应变率线性增加，表现出显著的应变率敏感性。GF增强的CIFC敏感性最高，其次是BF和PVAF复合材料。在所有GF增强试件中，GF2.0敏感性最大，抗压强度从118.94 s^?1时的6.46 MPa增加到261.02 s^?1时的18.09 MPa。所有纤维增强CIFC类型的抗压强度DIF均随应变率线性增加。GF增强的CIFC在DIF方面表现出比BF和PVAF复合材料显著更高的应变率敏感性。

纤维参数的影响

GF增强的CIFC在相同纤维掺量下通常表现出比BF或PVAF增强复合材料更高的抗压强度，尤其是在高应变率下。关于纤维掺量，抗压强度随纤维掺量增加呈现先增加后减少的趋势，在2.0%掺量时达到峰值。纤维类型对DIF的影响表现出强烈的应变率依赖性。在120 s^?1时，PVAF2.0和BF2.0的DIF值最高（分别为1.33和1.32），略高于GF1.0（1.30）。然而，随着应变率增加，GF增强的CIFC表现出明显更优的DIF性能。

能量耗散分析

能量参数计算

基于一维应力波理论，通过记录应变信号的时间积分计算入射能(W_I)、反射能(W_R)和透射能(W_T)。忽略试件与杆界面处的摩擦能量损失，CIFC试件的耗散能(W_S)根据能量守恒计算。为了进一步分析能量耗散，选择SED、能量耗散比(R)和耗散能密度(E_V)来评估材料的能量耗散特性。SED通过应力-应变曲线下的面积量化。能量耗散比(R)代表能量利用效率。耗散能密度(E_V)定义为耗散能与试件体积的比值。

能量耗散规律

所有能量参数随应变率增加呈现近乎线性的增加，表明所有纤维增强复合材料均具有一致的应变率依赖性。较高的应变率导致更大的入射能输入。典型的能量-应变曲线显示，在应变=0时标志初始接触并启动连续能量输入。耗散能反映了从 initiation 到 failure 的裂纹演化，随时间持续增加。所有能量参数表现出类似的上升趋势，表明能量通过试件有效传递。未使用能量（反射能和透射能之和）随入射能增加而明显增加。

能量耗散特性

CIFC的SED与入射能呈线性关系，与在高应变率下观察到的日益严重的损伤模式一致。在所有试件中，掺量为2.0%的混合物对入射能的敏感性最高，而1.0%的敏感性最低。能量耗散比(R)随入射能增加呈指数衰减函数：先快速上升，然后减慢，最终趋近于最大值。耗散能密度(E_V)随入射能线性增加，与SED的趋势一致。SED和E_V为评估动态性能提供了互补的视角。

能量耗散机制

除了冲击荷载下所有CIFC中常见的能量耗散机制（如裂纹萌生和扩展、孔隙坍塌、基体变形）外，GF、BF和PVAF的掺入导致不同的机械响应和能量耗散途径。在GF和BF增强的CIFC中，能量主要通过强烈的界面脱粘和广泛的纤维断裂来耗散。相比之下，PVAF增强的CIFC通过纤维的显著塑性变形和伸长来耗散能量。主要机制包括渐进的塑性拉伸和摩擦拔出，导致稳定、分布式的能量吸收。

结论

本研究对具有不同纤维参数的CIFC试件进行了一系列实验。利用XRD和SEM研究了水化反应和内部微观结构。使用SHPB装置在高应变率（120–250 s^?1）下检查了动态力学性能。表征了CIFC的破坏模式和动态应力-应变行为，并使用抗压强度和DIF评估动态力学性能。此外，使用SED、R和E_V作为关键指标进行了能量耗散分析，以评估能量耗散行为并阐明纤维参数对抗冲击机制的影响。主要结论如下：

XRD分析表明，与GF增强的CIFC相比，BF和PVAF试件显示出LDH、AFt和方解石的形成增加，同时氢氧化钙含量减少。SEM分析表明，GF和BF在基体内倾向于形成团簇，而PVAF实现单丝分散。所有试件在纤维掺量为2.0%时显示出最佳的纤维-基体界面粘结和均匀的孔隙结构。在冲击荷载下，GF和BF增强的CIFC表现出脆性破坏模式，伴有大量碎裂。相比之下，PVAF增强试件表现出显著改善的延性和明显的应变率敏感性。PVAF2.0混合物在冲击下表现出最高的结构完整性。CIFC表现出显著的应变率敏感性。抗压强度和DIF均随应变率增加近似线性增加。针对各种纤维参数，提出了CIFC动态抗压强度和DIF作为应变率函数的公式。在相同纤维掺量下，GF增强的CIFC表现出比BF和PVAF增强复合材料更高的抗压强度，尤其是在高应变率下。对于所有纤维类型，强度随纤维掺量增加至2.0%，此后降低。所有能量参数随应变率近似线性增加。入射能和反射能比透射能和耗散能增加更显著。在高应变率下，能量演化表现出渐进变形过程。SED和E_V随入射能线性增加，而R呈指数衰减趋势。GF、BF和PVAF的固有特性导致CIFC中根本不同的能量耗散机制。

本研究系统揭示了纤维类型和掺量对CIFC动态力学性能及能量耗散特性的影响规律，确定了2.0%为最优纤维掺量，并阐明了不同纤维的增强机制差异。这些发现为利用工业固废铁尾矿开发高性能抗冲击建筑材料提供了重要的实验依据和理论指导，对推动土木工程材料向绿色、高性能化发展具有重要意义。该论文发表在《Materials 》期刊上。