《Polymers》：Bone Healing Response to Different Concentrations of Nano-Hydroxyapatite Incorporated into Mineral Trioxide Aggregate and Bioceramic Sealers
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摘要：珊瑚砂较低的承载能力与较高的可破碎性，对岛礁地基工程构成重大挑战。为此，研究人员采用一种新近开发的非异氰酸酯聚氨酯（polyurethane，PU）对珊瑚砂进行加固，并基于正交试验设计研究了聚氨酯加固珊瑚砂的无侧限抗压力学行为。分析了颗粒级配、聚氨酯与砂
摘要：珊瑚砂较低的承载能力与较高的可破碎性，对岛礁地基工程构成重大挑战。为此，研究人员采用一种新近开发的非异氰酸酯聚氨酯（polyurethane，PU）对珊瑚砂进行加固，并基于正交试验设计研究了聚氨酯加固珊瑚砂的无侧限抗压力学行为。分析了颗粒级配、聚氨酯与砂的质量比以及含水率对强度、变形与能量演化的影响。结果表明，在干燥条件下，采用天然级配珊瑚砂且聚氨酯质量比为30%时，可获得最高单轴抗压强度5.48 MPa。含水率被确定为影响加固试样强度与弹性模量的主导因素。含水率升高会显著降低起裂应力、扩容强度、峰值强度与弹性模量，同时提高泊松比。相反，较高的聚氨酯质量比可提高强度、刚度与能量耗散能力，而颗粒级配主要影响起裂应力水平。在无侧限压缩条件下，加固试样主要表现为延性剪切破坏，涉及边缘破碎、颗粒滑移、分层以及固化聚氨酯膜破裂。显微观测表明，固化聚氨酯在珊瑚砂基体内部主要以表面薄膜、颗粒间桥联以及孔隙填充相的形式发挥作用。其力学性能提升主要与聚合物桥联、孔隙填充、局部界面黏附及机械咬合作用相关。
该论文发表于《Polymers》，研究主题并非题目所示的牙科生物材料骨愈合问题，而是新型非异氰酸酯聚氨酯加固珊瑚砂的力学行为与微观机制。依据原文内容，研究背景集中于岛礁工程与海洋资源开发持续推进后，对海堤、护岸、防波堤、港口及人工岛等基础填筑材料提出更高要求。珊瑚砂作为岛礁区域广泛分布的原位材料，具有就地取材、运输成本低等优势，因此被广泛用于浅基础与填筑工程。然而，珊瑚砂与常规硅砂不同，具有发育明显的颗粒内孔隙、不规则颗粒形貌、高孔隙率、强压缩性和显著颗粒破碎性，这些特征导致其密实度不足、脆性较强，进而引发地基承载力不足、工后沉降过大和结构稳定性降低等工程问题。在灾后修复、应急加固和快速建设场景中，传统水泥类无机胶结材料虽然常用于土体稳定，但存在凝结时间长、浆液沉降、泌水和干缩等不足，不利于早期强度快速形成。因此，开发可在常温下反应、快速固化且便于施工的聚合物加固材料，成为提升岛礁地基快速承载能力的重要研究方向。
围绕这一问题，研究人员开发了一种双组分非异氰酸酯聚氨酯（polyurethane，PU）胶结材料，用于加固取自中国南海岛礁的珊瑚砂，并系统考察聚氨酯掺量、含水率和颗粒级配对加固珊瑚砂无侧限抗压性能的影响。研究结果表明，该新型材料在较短固化时间内即可形成较高强度，加固后的珊瑚砂在干燥、较高聚氨酯质量比条件下表现出优异的峰值强度、起裂应力、扩容强度、弹性模量及能量吸收能力；含水率则是控制力学性能劣化的关键因素。显微结构分析进一步揭示，聚氨酯通过表面包覆、颗粒间桥联、孔隙填充、局部界面黏附与机械咬合等机制，将松散珊瑚砂整合为更致密连续的复合体。该研究的重要意义在于，为岛礁工程中快速、有效提升珊瑚砂地基承载能力提供了一种具有短时强度发展优势的新型高分子加固方案，并建立了基于填充度与含水率的力学参数预测模型，为工程设计与应用评估提供了依据。
在技术方法方面，研究人员首先制备并表征了双组分非异氰酸酯聚氨酯胶结材料；随后以南海岛礁来源珊瑚砂为对象，筛分并配制4种不同级配试样，采用三因素四水平正交试验设计，构建16组工况、共32个无侧限压缩试样。借助MTS 647.250电液伺服试验系统开展位移控制下的无侧限压缩试验，并通过轴向位移传感器与环向变形测量装置记录应力—应变响应。研究进一步利用裂纹体积应变法判定起裂应力与扩容应力，结合方差分析（ANOVA）评估各因素显著性；采用扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，并通过多元线性回归建立峰值强度与弹性模量预测模型。
3.1. Stress–Strain Curves
研究结果显示，聚氨酯加固珊瑚砂在无侧限压缩下的应力—应变曲线整体形态相似，可划分为压密阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段和峰后残余阶段四个部分。压密阶段中，试样内部孔隙逐步闭合，应力—应变曲线呈压密特征；弹性阶段曲线近似线性，颗粒间相互压紧，固化聚氨酯膜对颗粒相对位移具有约束作用；进入裂纹扩展阶段后，颗粒位移增加、相互作用减弱，部分颗粒发生剪切或破碎；峰后阶段则表现为聚氨酯网络达到延性极限并逐步破裂，试样出现宏观裂缝与强度下降。研究人员指出，在干燥条件下，试样强度增幅明显且峰值侧向应变较小；随着含水率升高，曲线逐渐变宽、变平，表明含水会削弱材料强度并增强变形能力。
3.2.1. Crack Initiation Stress
研究人员采用裂纹体积应变法识别起裂应力σ
i与扩容应力σ
d。方差分析结果表明，含水率对起裂应力影响最显著，其次为聚氨酯与砂的质量比，颗粒级配影响不显著；但对起裂应力水平K而言，颗粒级配反而是最敏感因素。结果显示，起裂应力随聚氨酯质量比升高而增加，随含水率升高而降低。天然级配、较高聚氨酯含量及低含水条件有利于延迟裂纹萌生。研究还指出，良好级配样品更易形成均匀致密的内部胶结网络，从而减小局部应力集中、推迟裂纹起始。
3.2.2. Dilation Strength
扩容强度分析表明，含水率和聚氨酯质量比均具有统计学显著影响，而颗粒级配影响不显著。随着聚氨酯质量比增加，扩容强度升高；含水率增加则导致扩容强度显著下降。当聚氨酯质量比由15%增至30%时，扩容强度可提高至原来的2.49倍；无水样品的扩容强度则是15%含水率样品的3.58倍。该结果说明，聚氨酯用量增加有助于增强骨架约束与变形抵抗，而水分会削弱这种增强作用。
3.2.3. Peak Strength
峰值强度的方差分析进一步证实，含水率是最主要控制因素，聚氨酯质量比次之，颗粒级配影响较小。峰值强度随含水率升高而下降，且从干燥到低含水阶段的下降最为明显；随着聚氨酯质量比提高，峰值强度持续上升。最高峰值强度5.48 MPa出现在天然级配、聚氨酯质量比30%、干燥条件的组合下。研究人员认为，较高聚氨酯掺量可更充分填充颗粒间孔隙、形成更厚且更连续的聚合物膜，从而增强颗粒黏结、减少内部缺陷并提高承载力；相反，较高含水率会导致固化不完全并削弱界面黏附，最终降低力学强度。
3.3.1. Elastic Modulus
弹性模量的统计分析显示，含水率对其具有显著影响，而级配和质量比影响不显著。总体趋势为：含水率增加，弹性模量明显下降；聚氨酯质量比增加，弹性模量呈上升倾向。该现象说明，连续而较厚的固化聚氨酯膜有助于提高颗粒间黏结与整体抗变形能力，而水分则通过干扰聚氨酯与珊瑚砂颗粒间的界面结合，削弱复合体系的结构完整性。
3.3.2. Poisson’s Ratio
表观泊松比主要受含水率显著控制，级配与质量比影响不明显。结果显示，含水率越高，表观泊松比越大，尤其在15%含水率时远高于干燥状态。研究人员据此认为，水分降低了珊瑚砂颗粒与聚氨酯基体之间的界面摩擦，使试样在轴向受载时更易发生侧向变形，并提示高含水条件下材料体积扩容更容易被激发。
3.4. Energy Dissipation
基于应力—应变曲线，研究人员分析了吸收能U、弹性应变能U
E与耗散能U
D。方差分析结果显示，聚氨酯质量比对耗散能具有显著影响，而对能量耗散比的影响不显著；级配和含水率对能量耗散比同样未表现出显著性。总体而言，随着聚氨酯质量比提高，耗散能与能量耗散比均增加，表明更致密、更连续的聚合物网络可增强颗粒间黏结与应力分布均匀性，使试样在失效前能够承受更大变形并消耗更多损伤相关能量。
3.5. Failure Pattern
宏观破坏形态显示，聚氨酯加固珊瑚砂在无侧限压缩下主要表现为斜向剪切破坏，剪切角大多分布在31°至62°之间。加载初期，试样顶部和底部首先出现细裂纹并伴随轻微鼓胀；随着塑性变形累积，裂纹逐渐扩展、汇聚并形成沿圆柱侧表面的主斜裂缝。低含水率条件下，裂纹多从两端起裂并向中心扩展；高含水率下裂纹分布更分散，且峰后曲线更平缓、破坏应变更大。低聚氨酯质量比时，颗粒间桥联数量和厚度有限，表面更易发生局部剥落，峰后应力下降较陡；高质量比条件下，聚合物网络更连续，界面韧性提高，表面剥落减轻，峰后软化过程更为平缓。
3.6. Curing and Failure Mechanisms
SEM结果表明，固化聚氨酯在珊瑚砂基体中主要呈现三种形态：颗粒表面薄膜、相邻颗粒间桥联结构以及颗粒间和表面孔隙中的填充相。较低含水率下，聚合物网络更致密、连续，这与宏观统计结果一致。由于珊瑚砂颗粒表面不规则且微孔丰富，聚氨酯能够渗入颗粒表面孔隙并在其中固化，从而增强界面黏附并形成稳定界面。随着聚氨酯质量比增加，其逐步侵入并占据原始孔隙网络，微观胶结模式由点接触黏结转变为局部表面包覆，再发展为连续三维网络结构，使分散颗粒整合为更致密复合体。失效过程中，外荷载首先通过聚氨酯空间网络传递至珊瑚砂颗粒；低应力水平下，颗粒主要发生弹性变形，固化膜提供约束压力；随着荷载增大，颗粒棱角发生破裂，部分颗粒自聚氨酯膜脱离或沿膜面滑移；颗粒破碎后，聚氨酯网络继续承担荷载直至断裂，最终导致整体失效。
4. Discussion
讨论部分将聚氨酯加固珊瑚砂视为由珊瑚砂颗粒、聚氨酯与孔隙组成的多相复合材料，并引入填充度S作为量化聚氨酯孔隙填充效果的综合指标。由于填充度受孔隙比与聚氨酯质量比共同控制，而孔隙比又受颗粒级配和相对密实度影响，因此该指标能够综合反映级配与聚氨酯掺量的耦合作用。研究人员在此基础上，将填充度与含水率作为两个关键自变量，建立了无侧限峰值强度与弹性模量的多元线性回归预测模型。交互项检验结果表明，填充度与含水率之间不存在显著交互作用，因此模型未纳入交互项。所得模型拟合优度R
2分别为0.951和0.917，说明在试验范围内具有较好的预测效果。拟合结果表明，峰值强度与弹性模量均随填充度增加而显著提高，而随含水率增加而降低，且强度在低含水区间下降更为明显。
研究结论翻译如下：
研究人员采用伺服液压试验系统，对一种新型聚氨酯材料加固珊瑚砂开展了无侧限准静态压缩正交试验，并对级配、含水率和质量比的影响进行了统计分析，同时从宏观与微观两个层面阐明了加固试样的固化与破坏机制。聚氨酯加固珊瑚砂的应力—应变响应可分为压密阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段和峰后破坏变形阶段。干燥条件下，天然级配且聚氨酯与砂质量比为30%的试样获得最高峰值强度5.48 MPa，同时表现出较高的起裂应力、扩容强度、弹性模量、吸收能与耗散能，说明高质量比与低含水率是短期无侧限抗压性能最有利的组合。含水率与聚氨酯/砂质量比是影响加固试样力学行为的主导因素。含水率由0增加至15%时，平均峰值强度由4.14 MPa显著降至1.26 MPa，并促进更大的侧向变形；这表明水分会降低承载能力，而更高聚氨酯含量则增强聚合物桥联、孔隙填充、应力再分配以及损伤相关能量消耗。颗粒级配仅对起裂应力水平表现出显著影响。SEM观察显示，固化聚氨酯在珊瑚砂基体中主要作为表面薄膜、颗粒间桥联和孔隙填充相发挥作用。较低含水率下，聚合物网络趋于更致密、更连续；提高聚氨酯质量比可进一步促进聚合物渗入珊瑚砂骨架原有孔隙网络。微观尺度上，黏结机制由点接触胶结逐步转变为局部表面包覆，再演变为连续三维网络。通过引入填充度作为量化聚氨酯孔隙填充效率的综合指标，研究有效表征了颗粒级配与聚氨酯质量比的联合作用；进一步结合含水率，建立了预测加固珊瑚砂无侧限峰值强度与弹性模量的多元线性回归模型。模型结果表明，峰值强度与弹性模量均随填充度增加而显著升高，但会随含水率增大而降低。
