《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Development of a rock-like material (BPRC) with adjustable strength and brittleness and its performance at ambient and low temperatures
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摘要：现有用于岩体三维（3D）打印的材料在强度和脆性方面仍不足以完全复现真实岩石的力学特性。本研究提出了一种新型玄武岩粉末增强树脂复合材料（basalt powder-reinforced resin composite，BPRC），其力学性能可调，以弥补上述
摘要：现有用于岩体三维（3D）打印的材料在强度和脆性方面仍不足以完全复现真实岩石的力学特性。本研究提出了一种新型玄武岩粉末增强树脂复合材料（basalt powder-reinforced resin composite，BPRC），其力学性能可调，以弥补上述不足。在常温和低温条件下的单轴压缩试验结果表明：（1）BPRC在常温下峰值单轴抗压强度（uniaxial compressive strength，UCS）可达79 MPa，超过现有类岩石材料的强度水平；（2）强度和脆性随玄武岩粉末含量增加呈线性增长；（3）低温处理使强度提升一倍以上，同时增强脆性破坏特征，与天然岩石行为高度相似。此外，针对大尺度模型提出的分阶段固化方法显著提高了固化效率，并增强了常温条件下的强度和脆性，验证了该方法在岩石工程模拟中的可靠性和应用潜力。上述发现为3D打印高脆性硬岩物理模型以研究其破坏机制提供了新的材料选择，同时论证了打印大尺度、高强度、高脆性模型的可行性，为复杂岩体结构的物理模拟提供了工艺参考。
**论文解读：可调强度与脆性玄武岩粉末增强树脂复合材料（BPRC）的研发及其力学性能研究**
**一、研究背景与意义**
岩石的力学特性与其内部结构密切相关，但传统模具浇注类岩石试件与天然岩石均存在无法在试件内部预制复杂几何缺陷的共同局限。三维打印技术凭借高精度、高可靠性和优异的可重复性，在制备具有复杂结构的类岩石试件方面展现出巨大潜力。然而，现有3D打印类岩石材料在力学性能方面仍存在明显不足：砂粉基复合材料强度仅为4-43 MPa，仅适用于模拟砂岩或煤等中等强度岩石；石膏基材料强度仅为3-30 MPa，适用于低强度层状沉积岩；水泥基材料强度为35-65 MPa，虽可模拟高围压脆性岩石转化行为，但对硬岩的模拟能力仍然有限；聚合物基材料（如光敏树脂）强度可达20-80 MPa，但弹性模量与天然岩石存在显著偏差。总体而言，现有3D打印材料的强度远不能满足硬岩（如花岗岩、玄武岩，目标强度约80-150 MPa）的模拟需求。因此，研制一种兼具高强度、高脆性且力学性能可控的新型类岩石材料，对于利用3D打印技术开展硬岩物理模型试验及岩石破坏机制研究具有重要的学术价值和工程应用前景。
**二、主要技术方法概述**
研究人员以环氧树脂E-44为基体材料、593固化剂为交联剂，并以300目玄武岩粉末为刚性填料，按环氧树脂与玄武岩粉末质量比4:1、4:2、4:3、4:4分别制备了E4B1、E4B2、E4B3、E4B4四种配方的BPRC试件（每种配方含直径为25 mm、高50 mm的S型试件和直径为35 mm、高70 mm的M型试件）。玄武岩粉末含量被确定为调控复合材料强度与脆性的主要变量。采用RMT-150C电液伺服试验系统进行位移控制（0.003 mm/s）的单轴压缩试验，以50%峰值强度处的割线模量作为弹性模量参考值，并采用Tarasov和Potvin提出的基于峰后割线模量与峰前弹性模量的脆性指标B定量评价试件脆性。低温增脆处理采用干冰创造约-78 °C的稳定低温环境，并使用透明亚克力板围合的低温试验腔体在持续低温条件下完成单轴压缩试验。此外，针对大尺度工程模型（120 mm × 120 mm × 60 mm）提出分阶段固化方法（40 °C-60 °C-80 °C梯度升温），以提升常温条件下的固化效率和力学性能。
**三、研究结果**
**（一）常温BPRC试件的单轴压缩试验结果**
常温条件下，四种配方的BPRC试件峰值强度均超过70 MPa，其中E4B3和E4B4试件最高达79 MPa，满足砂岩强度标准，且显著优于现有3D打印类岩石材料。应力-应变曲线呈现与天然岩石一致的压密阶段、线弹性阶段和峰值后的应变软化行为。制造过程中引入的少量孤立内部孔隙在介观尺度呈随机分布，未导致宏观各向异性或显著的力学性能离散。尺寸效应表现为小尺寸试件的峰值强度高于大尺寸试件，符合岩石力学中的“最弱链”理论。线性拟合分析表明，随玄武岩粉末含量增加，试件的峰值强度、弹性模量和脆性（以峰值应变表征）均呈线性增长趋势（S型试件R2值分别为0.972、0.957和0.989），证明玄武岩粉末作为刚性增强相在环氧树脂基体中形成了良好的界面结合和负荷分担骨架，是BPRC力学性能调控的核心机制。
**（二）低温冻结BPRC试件的单轴压缩试验结果**
经-78 °C低温处理后，E4B3和E4B4试件在持续低温条件下进行单轴压缩试验，其峰值强度均超过170 MPa，其中BE4B4试件达到190.47 MPa，远超现有类岩石材料的强度水平。冻结试件在峰值后发生应力骤降，表现出典型的脆性断裂行为。低温使试件强度提升一倍以上，弹性模量提高约75%，而峰值应变几乎不受温度影响。研究人员观察到“异常尺寸效应”：在低温条件下，试件的峰值强度随尺寸增大而升高（S型
**（三）BPRC与现有类岩石材料的性能对比**
与陶瓷、石膏、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和光敏树脂等常用3D打印类岩石材料相比，BPRC的UCS（71.97~79.8 MPa）超过传统材料二十余倍，弹性模量（3.3~5.01 GPa）亦显著提升，峰值应变更低，脆性更好。虽然常温下BPRC的峰值强度略低于光敏树脂，但其弹性模量和脆性指标更具优势，且可通过调整玄武岩粉末含量精确匹配特定岩石的力学属性。低温处理后，BPRC强度达到170-190 MPa，满足玄武岩（102.7~290.5 MPa）和闪长岩（92.7~232 MPa）等硬岩的强度模拟需求，且其应力-应变曲线与天然岩石在变形阶段和破坏模式上高度吻合。
**（四）玄武岩粉末对材料性能的影响机制**
对低温冻结纯环氧树脂试件的对比试验表明，纯环氧试件的峰值强度低于BPRC试件，峰值应变更大，峰前应力-应变曲线与天然岩石的相似性显著较差。纯环氧试件在冻结条件下发生伴随岩爆式尖锐声响的整体爆裂破坏，而玄武岩粉末的加入缓和了这种剧烈破坏形式，使BPRC试件呈现出更接近天然岩石的破坏特征。此外，低温大幅增强BPRC性能的微观机制可归纳为两点：一是环氧树脂基体在玻璃化转变温度以下进入深度玻璃态，树脂模量显著升高，基体向玄武岩颗粒的载荷传递效率提高；二是树脂与玄武岩粉末在冷却过程中的差异热收缩在界面处产生径向压应力，通过机械互锁增强了界面粘结强度，从而提高了复合材料在压缩载荷下的宏观强度。
**（五）BPRC工程洞室模型的分阶段固化与物理试验**
为验证BPRC用于大尺度结构制备的可行性，研究人员采用分阶段固化方法制备了E4B3和E4B4两种配方的马蹄形洞室工程模型（120 mm × 120 mm × 60 mm）。该方法先在常温下预固化5-7天，再经40 °C-60 °C-80 °C梯度后固化处理。常温单轴压缩试验表明，分阶段固化在提高固化效率的同时显著增强了材料的强度和脆性，E4B3模型的峰值强度达到82.38 MPa，超过常温小试件的最高强度（79.8 MPa）。E4B3模型经历两阶段加载后最终发生脆性破坏和结构坍塌；E4B4模型在峰值强度后发生应力骤降并整体剪切破坏。两种模型的破坏过程均表现为先于拱顶和底板出现拉伸裂缝，随后从拱脚向围岩深部扩展，与真实岩体模型和现场工程中洞室的破坏模式高度一致。分阶段固化的增韧强化机制在于高温阶段赋予常温固化树脂中的活性基团额外能量，形成更多交联点，更高的交联密度降低了链间滑移，提高了材料的硬度与刚度。
**四、结论与展望**
本研究成功研发出一种强度和脆性可调的玄武岩粉末增强树脂复合材料（BPRC），系统验证了其在常温和低温条件下的力学性能。主要结论如下：（1）BPRC在常温下强度超过70 MPa（最高79 MPa），低温条件下超过170 MPa（最高190.47 MPa），优于现有类岩石材料；（2）向环氧树脂中添加玄武岩粉末可实现强度和脆性的线性调控；（3）低温处理使强度提升一倍以上、弹性模量提高75%，并诱导产生独特的尺寸效应；（4）冻结态BPRC以张拉-剪切复合破坏为主，应力-应变曲线与天然岩石高度吻合；（5）分阶段固化方法可高效制备大尺度模型，同时增强其强度与脆性，在岩石工程模拟中具有广阔的应用前景。该材料为3D打印高脆性硬岩物理模型及复杂岩体结构的物理模拟提供了新的技术途径。
