橡胶粉改性工程化氯氧镁水泥基复合材料的动态压缩行为与黏弹性损伤建模

《Journal of Building Engineering》：Dynamic compressive behavior and viscoelastic damage modeling of crumb rubber-modified engineered magnesium oxychloride cementitious composites

　　

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  CR的尺寸和含量共同控制MECC的动态响应。
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  CR改善了变形和完整性，但降低了动态强度。
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  DIF模型将应变率与CR含量和颗粒尺寸联系起来。
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  ZWT损伤模型拟合动态曲线，R² = 0.825–0.994。

引言

工程结构日益暴露于地质灾害、意外爆炸和高速冲击等极端事件中。图1展示了与不同工程加载场景相关的典型应变率范围[1], [2], [3]。在爆炸和冲击荷载下，胶凝材料必须同时具备高动态承载能力、变形能力和耗能能力。然而，提高基体强度往往会增加脆性，而加入柔性组分则可能削弱承载骨架[4], [5], [6]。因此，在抗冲击胶凝材料的设计中，平衡这些相互竞争的影响仍然是一个关键挑战。工程水泥基复合材料（ECC）通过纤维桥接和多裂缝开裂表现出应变硬化和高耗能能力，使其成为抗冲击应用的理想候选材料[7], [8], [9]。然而，ECC的微观力学设计原则主要是在准静态条件下建立的。高应变率会显著改变基体开裂、裂纹扩展以及纤维-基体界面的荷载传递；因此，准静态设计原则在冲击荷载下的适用性仍不清楚。

从废轮胎中提取的胶粉（CR）具有低弹性模量、高变形能力和显著的粘弹性，使其能够作为柔性夹杂物来调节ECC的动态响应，同时促进废物增值利用[10], [11]。以往研究表明，CR在冲击荷载下可以改善变形能力、裂纹路径曲折度、试件完整性和能量耗散[12], [13], [14], [15], [16]。Zhang等人[12]报道称，CR降低了ECC拉伸延性的加载速率敏感性，并帮助面板在反复冲击下保持完整性。Ye等人[13]发现，适当的CR含量增加了霍普金森压杆（SHPB）加载下的峰值应变和应变能密度。此外，对PE/BF增强CR-ECC的动态压缩试验表明，能量吸收效率显著提高。然而，过量的CR会引入弱界面并破坏承载骨架，导致强度损失[14], [15]。这些发现表明，CR的动态作用源于柔性变形、裂纹偏转和界面弱化的综合效应，而非简单的增强作用。尽管如此，现有研究主要比较了含CR和不含CR混合物的动态性能，或者考察了固定粒径下CR含量的影响，而对颗粒尺度的影响关注不足[5], [17]。由于颗粒尺寸决定单个柔性夹杂物的扰动尺度，而掺量控制弱界面的整体比例，因此它们对强度保持和冲击变形能力之间权衡的综合影响需要系统研究。

氯氧镁水泥（MOC）具有早期强度高、粘结能力强、耐磨性和耐火性优异等特点，使其在轻质面板和保护层中具有应用前景[18], [19], [20]。普通MOC基体具有固有脆性，一旦开裂，裂缝会迅速扩展，从而限制其在抗冲击结构构件中的应用[21]。已有研究开发了以PE纤维增强并用CR改性的工程氯氧镁水泥基复合材料（MECC），证明了用MOC替代波特兰水泥在高延性复合材料中的可行性[22]。然而，对MECC的研究主要集中在配合比设计、拉伸性能和水稳定性方面，其在高应变率下的力学响应受到有限关注[23], [24], [25]。尽管传统MOC复合材料表现出应变率强化效应，但其动态破坏通常以脆性碎裂为主，因此不能代表PE增强MECC的裂缝桥接、峰后承载和能量耗散机制。特别是，应变率与CR特性对其动态行为的耦合效应仍不清楚，阻碍了其进一步工程应用。

建立适当的动态本构模型不仅对于描述材料在极端荷载下的力学响应至关重要，而且为复合材料优化、工程实施和结构设计提供理论基础[26], [27], [28]。Holmquist-Johnson-Cook（HJC）模型已被广泛用于模拟混凝土类材料在高应变率下的冲击行为[29]。然而，HJC模型主要是为捕捉脆性材料的动态响应而开发的，涉及参数相对较多，且无法充分描述高延性复合材料的粘弹性变形和渐进损伤[13]。相比之下，朱-王-唐（ZWT）本构模型结合了非线性弹性和粘弹性单元，以表征材料的瞬时非线性响应和应变率依赖性[30]。Zhao等人[31]研究了高强度高延性混凝土（HSHDC）的动态应力-应变响应和破坏模式，观察到其动态抗压强度和比能量吸收（SEA）随应变率增加呈两阶段增长。Ren等人[32]建立了一个修正的ZWT模型，揭示了超高性能水泥基复合材料（UHPCC）中钢纤维含量与损伤参数之间的关系。此外，Zhang等人[33]利用损伤本构模型建立了聚丙烯纤维增强砂浆（PFRM）的损伤演化规律。尽管取得了这些进展，但CR-MECC中本构模型参数与CR特性之间的关系仍未得到充分表征。特别是，拟合参数与CR颗粒尺寸、掺量和应变率之间的统计关联需要进一步研究。因此，本研究采用斯皮尔曼秩相关分析来量化这些关联的方向和强度，并阐明本构参数与实验变量之间的关系。

据此，本研究设计了一个参考MECC和九个CR-MECC混合物，其中包括三种CR中位粒径（d₅₀ = 75、162和257 μm）和三种掺量（5%、10%和15%）。使用直径为75毫米的SHPB装置，在约75、135和175 s^?1的应变率下研究了其动态压缩行为。通过破坏模式、应力-应变响应、动态抗压强度、峰值应变、能量吸收和动态增强因子来评估应变率、CR粒径和掺量的耦合效应。然后建立了基于ZWT的粘弹性损伤本构模型，该模型包含损伤演化和峰后残余承载能力，并使用SEM观察来支持所提出的细观机制。该研究旨在阐明CR特性、动态宏观响应和本构参数之间的关系，从而为设计在高应变率荷载下具有平衡承载和变形能力的CR-MECC提供基础。

章节摘要

原材料与配合比

本研究中的MECC混合物使用氧化镁（MgO）粉末、粉煤灰（FA）、再生胶粉（CR）、六水氯化镁（MgCl₂·6H₂O）、柠檬酸（CA）、聚羧酸系高效减水剂（HRWR）、超高分子量聚乙烯（PE）纤维和实验室自来水制备。MgO粉末的活性MgO含量约为54%，CR的密度约为890 kg/m³。图2显示了颗粒尺寸

准静态压缩性能

图6展示了不同CR粒径和掺量下MECC的28天抗压强度和弹性模量。PN-CR0的抗压强度为68.42 MPa。CR的掺入使MECC的抗压强度降低了9.30–49.81%，总体趋势随CR掺量和粒径的增加而降低。例如，在CR掺量为5%时，PB-CR5和PC-CR5的抗压强度分别比PA-CR5低20.29%和34.19%，表明

模型参数与CR特性和应变率的相关性

为定量阐明本构参数与实验变量之间的关系，首先使用表8中列出的拟合参数进行了斯皮尔曼秩相关分析。选择这种非参数方法是因为它不要求变量服从正态分布，并且可以表征实验变量与模型参数之间的单调关系[70]。六个本构参数和三个实验变量，

结论

基于SHPB试验和粘弹性本构模型的建立，本研究考察了应变率、CR粒径和CR掺量对CR-MECC动态压缩行为和损伤演化的影响。主要结论如下。

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  所有MECC混合物均表现出显著的应变率强化效应。将应变率从约75 s^?1增加到175 s^?1，动态抗压强度显著提高。虽然CR降低了绝对

CRediT作者贡献声明

高泽同：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，正式分析。 乔红霞：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，方法学，资金获取。 王金鹏：写作 – 原稿，正式分析，概念化。 尚明刚：写作 – 原稿，监督，正式分析。 连娜：验证，监督，调查，数据管理。 张文晓：验证，软件，方法学。

利益冲突声明

作者声明，他们之间不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由青海省重点研发与转化计划（资助号：2025-QY-234）和国家自然科学基金联合基金（资助号：U23A20658）资助。

高泽同|乔红霞|王金鹏|尚明刚|连娜|张文晓