浆体渗透颗粒材料的流变相关损伤演化与力学行为

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Rheology-dependent damage evolution and mechanical behavior of slurry-infiltrated granular materials

　　

浆体渗透颗粒复合材料为地下充填提供了一种可持续策略，其中预成型的骨料骨架通过渗透浆体粘结以减少胶凝材料用量。其力学完整性由颗粒间空隙内的浆体滞留而非均匀混合所控制。然而，新鲜态流变特性与所得粘结构型及硬化力学性能之间的定量关联仍尚未充分建立。本研究发展了一个实验-理论框架，将浆体流变特性、滞留行为及单轴压缩响应联系起来。通过调节聚羧酸醚（PCE）掺量制备了不同流变特性的浆体，并采用不同粒径的粗矸石骨料进行了渗透试验。测量了滞留浆体质量（M_ret），并将其用于定义结构状态描述符——初始粘结体积分数（φ_b），以表征初始粘结构型。通过将总应变分解为弹性分量和压实分量构建了本构模型，同时采用统计损伤方法描述粘结区域的渐进退化。模型参数从应力-应变曲线的不同区段独立识别，以确保可辨识性。使用独立配合比的验证表明，所提模型能够捕捉早期压实、弹性刚度、峰值强度及峰后软化，相对误差通常在15%以内。在当前的单轴材料点范围内，浆体滞留为新鲜态流变特性与硬化力学性能之间提供了可测量的关联，支持浆体渗透颗粒系统中承载行为的快速比较与初步评估。

**浆体渗透颗粒材料的流变相关损伤演化与力学行为——论文解读**

**一、研究背景与意义**

地下充填作为现代矿业运营的关键环节，对于控制地压和缓解地表沉降灾害至关重要。传统胶结充填采矿法虽应用广泛，但其依赖完全均质化的细粒混合物，往往因高昂的胶凝材料消耗和能耗密集的尾矿制备而产生较高的运营成本。为克服上述局限，浆体渗透颗粒复合材料提供了一种降低胶凝材料需求的同时维持力学稳定性的实用替代方案。该策略通过将预成型的粗粒废石骨架用胶结浆体渗透，显著减少所需胶凝材料体积，并利用骨料框架的高固有刚度。与常规混凝土不同，此类系统在大规模充填的实际约束下开发，具有胶凝材料可用性有限和充填位置条件异质的特点。与完全固化的胶结充填体相比，此类骨架主导系统不可避免地表现出更高的孔隙率，但其承载机制和破坏演化与致密胶凝材料存在根本差异：通常表现为渐进压实和延性粘结退化，而非突发脆性坍塌。因此，工程挑战不在于消除孔隙率，而在于确保理解并控制滞留引起的非均质性，以防止不可预测的不稳定。浆体渗透颗粒复合材料的力学完整性由颗粒间空隙内的浆体滞留而非均匀混合所控制，然而新鲜态流变特性与所得粘结构型及硬化力学性能之间的定量关联仍尚未充分建立。

**二、主要研究内容、关键技术方法及结论**

研究人员开发了一个实验-理论框架，将浆体流变特性、滞留行为及单轴压缩响应联系起来。该框架以浆体滞留作为内部结构的描述符，量化初始粘结构型，并据此建立机制型本构模型。主要关键技术方法包括：（1）采用旋转流变仪（Anton Paar MCR 302）测定不同聚羧酸醚（PCE）掺量下浆体的宾汉姆（Bingham）流变参数，即屈服应力τ?与塑性黏度η?；（2）通过重力驱动多循环渗透试验，测定不同粒径级配矸石骨料（10–20 mm、15–25 mm、20–30 mm、25–35 mm）中的滞留浆体质量M_ret；（3）利用自洽方案（SCS）均质化方法推导粘结相有效弹性刚度；（4）采用Weibull型统计损伤定律描述粘结桥的渐进退化；（5）使用WDW-300电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验获取应力-应变曲线，并采用顺序参数识别策略，从应力-应变曲线不同区段独立辨识模型参数；（6）利用扫描电子显微镜（SEM）和Zeta电位测量表征微观机理。骨料为破碎煤矸石，胶凝材料为42.5级普通硅酸盐水泥与F级粉煤灰（质量比1:1.25），水胶比恒定为0.5。

**三、研究结果**

**3.1 流变行为与颗粒间相互作用**：随着PCE掺量从0%增加至0.3%，浆体屈服应力从10.81 Pa降至0.61 Pa，塑性黏度从0.42 Pa·s降至0.09 Pa·s，均呈指数衰减趋势。Zeta电位测量显示，随着PCE掺量增加，Zeta电位向更负值方向偏移（从-11.6 mV至-33.7 mV），表明PCE分子在胶凝颗粒表面的有效吸附增强了空间位阻效应并抑制了絮凝作用。

**3.2 流变与几何因素对浆体滞留的耦合控制**：对于给定骨料级配，滞留浆体质量M_ret随PCE掺量增加而单调递减。较细骨料级配（如10–20 mm）表现出更高的M_ret，这归因于其特征孔隙尺寸减小和比表面积增大。在最高PCE掺量下，最粗级配（25–35 mm）无法形成可靠试件，表明存在几何阈值，超过该阈值重力驱动排液主导流变滞留。相关分析表明M_ret与屈服应力及塑性黏度均呈正相关关系。

**3.3 单轴压缩行为与破坏特征**：应力-应变曲线普遍呈现四阶段演化：初始压实、准线性弹性变形、峰值强度和峰后软化。压实应变ε_cp随滞留量降低而增大。在15–25 mm级配组中，0.1% PCE掺量配合比获得了比0% PCE参比更高的单轴抗压强度（UCS）（4.42 MPa对3.87 MPa），表明适量PCE添加可改善界面粘结质量。高滞留试件表现出更渐进的延性软化分支，而低滞留试件以更脆性方式破坏。

**3.4 滞留量与宏观力学性能间的相关性**：Spearman秩相关分析显示M_ret与UCS和弹性模量E_lin均呈强正相关。皮尔逊相关系数约为0.7–0.75（p < 0.001），但数据存在显著离散性，表明宏观力学性能不仅取决于滞留浆体数量，还取决于其分布特征。

**3.5 粘结界面微观结构表征**：SEM观察显示，在0% PCE掺量下，微观结构以堵塞诱导的非均质性为主，表现为局部团聚和不规则斑块；0.1% PCE掺量下形成明显的浆体桥；0.2% PCE掺量下形成更平滑连续涂层；0.3% PCE掺量下浆体层明显变薄并呈碎片化，出现频繁的微尺度间隙。

**四、讨论与结论**

**讨论部分摘要**：该框架应被理解为在代表性单元体积（RVE）/材料点层面上的实验锚定本构描述。其核心价值在于引入浆体滞留量作为连接新鲜态流变特性与硬化力学响应的可测量中间状态变量。当前公式采用标量滞留基结构描述符，假设宏观尺度下的均质化粘结网络，且压实和损伤演化仅在单轴加载条件下标定。流变输入以稳态宾汉姆参数表示，未明确包含触变性重建、过滤和水化诱导演化等时间依赖效应。未来发展方向包括：推广至围压和多轴加载条件、纳入时间依赖流变效应、以及结合变分和能量方法（包括深度能量法及相关物理信息神经网络公式）进行结构尺度边界值分析。

**研究结论**：（1）流变驱动的结构缺陷形成：降低屈服应力（从10.81 Pa降至0.61 Pa）和塑性黏度（从0.42 Pa·s降至0.09 Pa·s）会改变缺陷分布，使材料状态从粘结网络转变为易发生早期不稳定的富缺陷骨架。（2）损伤抗力量化：滞留浆体质量M_ret可作为材料结构完整性的可测量代理指标，与宏观强度呈强正相关（Spearman's ρ < 0.001）。通过定义基于滞留量的初始粘结体积分数φ_b，复合材料抵抗损伤的能力得以量化，将新鲜态渗透效率与宏观承载能力联系起来。（3）机制型破坏模拟：通过将损伤阈值与φ_b耦合，模型能够捕捉从低应变下的孔隙闭合主导压实到峰值载荷下粘结断裂诱发软化的转变，区分了经验模型中常被合并的压实与损伤贡献。（4）当前验证范围内的预测能力：所提出的顺序参数识别方法无需依赖反演拟合即可分离压实与损伤参数的识别。使用独立配合比的盲验证表明，模型能够再现单轴响应的主要特征，峰值强度和刚度的相对误差一般在15%以下。在该RVE/材料点范围内，基于滞留量的框架为配合比设计的快速比较和单轴承载行为的初步评估提供了有效工具，为胶结颗粒充填体的配合比设计和初步工程评估提供了实用指导。