《Case Studies in Construction Materials》：Acoustic-emission-based characterization of compressive damage and cracking in fiber-reinforced geopolymer-cemented aeolian sand composites
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聚丙烯纤维（PPF）的桥联作用与高纤维掺量下的局部缺陷共同影响纤维增强地聚物-风积砂复合材料（FRGC-AS）的压缩破坏行为。本研究制备了PPF质量掺量为0、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%的试件，开展同步声发射（AE）监测的单轴压缩试验，并进行扫描电子
聚丙烯纤维（PPF）的桥联作用与高纤维掺量下的局部缺陷共同影响纤维增强地聚物-风积砂复合材料（FRGC-AS）的压缩破坏行为。本研究制备了PPF质量掺量为0、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%的试件，开展同步声发射（AE）监测的单轴压缩试验，并进行扫描电子显微镜（SEM）观测。采用动态b值分析、模糊C均值（FCM）聚类以及基于上升时间-幅值比（RA）-平均频率（AF）参数的高斯混合模型（GMM）表征损伤演化。FRGC-AS的抗压强度随PPF掺量增加呈先增后减趋势。掺加0.5% PPF的试件平均抗压强度为14.16 MPa，较无纤维试件提高17.3%。在统一的三类FCM描述方案下，所选0.5% PPF记录中高强度C3活动占累积AE能量的58.95%，而所选无纤维记录中该比例为83.62%，表明两组记录内相对能量分布存在差异。RA-AF/GMM分析揭示统计意义上的AE群体显著重叠，无法唯一归属至特定物理断裂机制。峰前多参数方差变化呈现参数依赖性，未建立统一的失稳前兆判据。结合SEM观测，上述结果支持纤维桥联、界面脱粘、滑移与拔出参与压缩损伤过程，并表明较高PPF掺量下的局部纤维团聚与界面缺陷可能削弱有效纤维桥联。
研究背景方面，普通硅酸盐水泥（OPC）生产约占人为CO2排放的8%，与碳减排目标形成突出矛盾，因此以工业固废为原料的地聚物材料因其较低碳排放和良好力学性能而受到关注；同时天然河砂资源枯竭推动风积砂（AS）作为替代骨料的研究。纤维增强地聚物研究已从单纯强度提升逐步转向裂缝控制、延性调控与可持续材料设计。既有研究表明，纤维增强效果不仅取决于纤维掺量，还取决于基体抗裂性、纤维桥联能力与界面相互作用；纤维掺量增加可延长裂缝桥联范围并通过界面脱粘、摩擦滑移和纤维拔出耗散能量，但过量掺加会降低拌合物流动性、诱发局部纤维团聚、基体包裹不足和界面孔隙率上升。传统宏观力学试验可表征峰值承载力和整体破坏特征，却无法连续识别微裂纹萌生、扩展、界面脱粘与宏观裂缝贯通的先后顺序；声发射（AE）技术可实时探测局部断裂释放的瞬态弹性波，并借助振铃计数、能量、幅值、持续时间和平均频率等参数表征损伤活动。然而常规AE分析仍存在局限：动态b值受幅值完整性、命中窗口长度与拟合质量影响，计算参数变化可能改变其局部波动特征；RA-AF分析通常采用固定经验边界区分断裂模式，而该边界依赖材料组成、传感器响应与采集条件，直接套用固定阈值可能将重叠区域信号强行归入预设类别。在FRGC-AS中，基体开裂、纤维-基体界面脱粘、摩擦滑移与拔出可能产生相互重叠的RA-AF响应，材料非均质性与波传播衰减进一步影响RA与AF分布，因此经验边界附近的AE信号未必对应唯一物理断裂机制，基于单一固定阈值的二分类可能忽略重叠区域的分类不确定性。此外，基于AE序列方差与自相关的临界慢化分析已用于识别岩石与水泥基材料由稳定损伤向失稳破坏转变的峰前统计特征。FRGC-AS中AS颗粒表面特征、地聚物基体与PPF-基体界面共同构成多尺度非均质结构，压缩过程中损伤可能同时涉及基体微开裂、AS-基体界面开裂以及纤维桥联、界面脱粘、摩擦滑移与拔出，不同损伤源产生的AE信号可能显著重叠。因此，仅凭强度变化或单一AE参数不足以解释PPF的作用，需对裂纹尺度、AE活动强度、源模式与峰前统计波动进行综合分析。
基于此，研究人员以碱激发粉煤灰-粒化高炉矿渣为胶凝材料，制备PPF质量掺量为0、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%的FRGC-AS试件，开展同步AE监测的单轴压缩试验。首先利用AE振铃计数与AE能量分析不同PPF掺量下损伤活动与能量释放的时间特征；随后采用动态b值分析与模糊C均值（FCM）聚类研究裂纹尺度演化及不同强度水平AE活动的演变；进而将RA-AF参数与高斯混合模型（GMM）结合，表征不同统计AE群体的概率分布，降低断裂模式解释对固定经验边界的依赖；最后分析振铃计数、RA与RA/AF的滑动窗口方差以及振铃计数的相邻命中相关系数，表征峰前统计波动，并结合扫描电子显微镜（SEM）观测建立宏观承载行为、AE特征与纤维-基体界面破坏机制之间的联系。研究得出，FRGC-AS抗压强度随PPF掺量增加先增后减，0.5% PPF试件平均抗压强度为14.16 MPa，较无纤维试件提高17.3%；在统一三类FCM描述方案下，0.5% PPF记录中高强度C3活动占累积AE能量的58.95%，无纤维记录中为83.62%；RA-AF/GMM分析显示统计AE群体显著重叠，无法唯一归属至特定物理断裂机制；峰前多参数方差变化呈参数依赖性，未建立统一失稳前兆判据；结合SEM观测，结果支持纤维桥联、界面脱粘、滑移与拔出参与压缩损伤，并表明较高PPF掺量下局部纤维团聚与界面缺陷可能削弱有效纤维桥联。该研究的意义在于，将裂纹尺度、AE活动强度、源模式统计分布与峰前统计波动纳入统一分析框架，为纤维增强地聚物-风积砂复合材料的损伤表征提供了不依赖单一经验阈值的统计思路，并提示纤维掺量优化需兼顾桥联增益与局部缺陷劣化的竞争效应。
关键技术方法方面，研究采用碱激发粉煤灰（FA）-粒化高炉矿渣（GGBS）胶凝体系与风积砂（AS）骨料，AS:FA:GGBS质量比为50:40:10，水固比（W/S）0.22、NaOH掺量2%，PPF长度12 mm、等效直径12 μm、长径比约1000；AS取自中国辽宁西部。按GB/T 50081–2019以WDW-300电子万能试验机进行位移控制单轴压缩（1 mm/min），每种配合比3个试件；按ASTM E1932–12(2022)采用DS5声发射系统，两只RS-2A谐振传感器（150 kHz，有效频响约50–400 kHz）对称安装于试件相对侧面几何中心、距上下加载端50 mm，采样频率3 MHz、前置增益40 dB、阈值45 dB、50–400 kHz带通滤波，峰值定义时间（PDT）200 μs、命中定义时间（HDT）400 μs、命中闭锁时间（HLT）500 μs，加载前以铅笔芯断裂试验检查触发响应与耦合状态；数据分析包括AE命中与力学数据时间轴匹配及相对应力定义、动态b值分析、FCM聚类、RA-AF/GMM分析以及峰前多参数滑动统计与相邻命中相关分析，并辅以SEM观测。
研究结果方面，第一，在AE振铃计数与能量时间特征分析中，通过对比不同PPF掺量试件的AE活动与能量释放时序，得出纤维掺量改变损伤活动强度与能量释放进程的认识。第二，在动态b值分析中，通过Gutenberg–Richter关系拟合AE幅值分布并考察b值演化，得出裂纹尺度统计演化的阶段性特征；研究同时指出动态b值受幅值完整性、命中窗口长度与拟合质量影响，计算参数变化可能改变其局部波动特征。第三，在FCM聚类分析中，通过统一三类描述方案划分不同强度水平AE活动，得出0.5% PPF记录中高强度C3活动占累积AE能量58.95%、无纤维记录中占83.62%，表明两组记录内相对能量分布存在差异。第四，在RA-AF/GMM分析中，通过概率分布描述RA-AF空间中的统计AE群体，得出各统计群体显著重叠、无法唯一归属至特定物理断裂机制，说明基于固定经验边界的二分类存在分类不确定性。第五，在峰前多参数滑动统计分析中，通过振铃计数、RA与RA/AF的滑动方差及振铃计数相邻命中相关系数，得出峰前多参数方差变化呈参数依赖性、未建立统一失稳前兆判据。第六，结合SEM观测，通过微观形貌与宏观承载行为、AE特征的对应分析，得出纤维桥联、界面脱粘、滑移与拔出参与压缩损伤，且较高PPF掺量下局部纤维团聚与界面缺陷可能削弱有效纤维桥联。
讨论与结论部分，研究围绕PPF掺量对抗压强度的非单调影响展开，指出纤维桥联增益与局部缺陷劣化之间的竞争关系：适度掺量下纤维桥联延长裂缝桥联范围并通过界面脱粘、摩擦滑移与纤维拔出耗散能量，而过高掺量导致拌合物流动性下降、局部纤维团聚、基体包裹不足与界面孔隙率增加，从而削弱有效桥联。在AE表征层面，研究强调动态b值与RA-AF经验边界方法在纤维增强地聚物体系中的适用性限制，认为GMM可在不预设单一界限的条件下描述RA-AF数据的概率分布，但统计群体的重叠意味着AE信号不能简单映射为唯一物理断裂机制；峰前多参数方差变化的参数依赖性表明不宜以单一参数构建统一失稳前兆判据。研究结论为：FRGC-AS抗压强度随PPF掺量增加先增后减，0.5% PPF时平均抗压强度14.16 MPa、较无纤维试件提高17.3%；统一三类FCM方案下0.5% PPF记录中高强度C3活动占累积AE能量58.95%，无纤维记录为83.62%；RA-AF/GMM分析显示统计AE群体显著重叠，无法唯一归属至特定物理断裂机制；峰前多参数方差变化呈参数依赖性，未建立统一失稳前兆判据；结合SEM观测，结果支持纤维桥联、界面脱粘、滑移与拔出参与压缩损伤，并表明较高PPF掺量下局部纤维团聚与界面缺陷可能削弱有效纤维桥联。
