《Case Studies in Construction Materials》：Dynamic tensile behavior of fiber-reinforced sandy clay treated with alkali-activated metakaolin cement
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針對沿海地下工程受地質動力和人為活動影響頻繁的問題，本研究旨在探明其回填材料——堿激發偏高嶺土（AAMK）水泥改良纖維增強砂質黏土——的動態力學性能與能量吸收能力。研究人員利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）系統，對不同砂、纖維、聚合物含量的混合料進行了動態間接拉伸試驗，評估了其動態拉伸性能、能量吸收密度與速率，并通過SEM觀察微觀結構演變、利用碎片尺寸分布的分形分析來表征損傷。結果表明，纖維摻量0.2%、砂含量12%的配比可獲得最大動態拉伸強度；纖維的加入使能量吸收密度比無纖維試樣提高約34%–145%，分形維數隨砂含量增加顯著上升。研究結果為這類可持續回填材料在沖擊防護工程中的應用提供了關鍵設計依據。
在地下工程領域，尤其是在地震活動帶或面臨爆破等動態荷載威脅的海岸帶，回填材料不僅是支撐結構的一部分，更是保護工程安全的第一道“護盾”。傳統的混凝土回填材料固然堅固，但其生產伴隨著高能耗與高碳排放。同時，像砂質黏土這類天然地質材料，在動態荷載下容易因拉伸強度不足而發生脆性破壞。那么，能否開發出一種既“綠色”又“強韌”的新型回填材料，使其在面對劇烈沖擊時，不僅能抵抗破壞，還能像海綿一樣有效地吸收和耗散能量？這正是本研究致力于回答的核心問題。研究人員聚焦于一種新型復合土工材料——纖維增強、經堿激發偏高嶺土（Alkali-Activated Metakaolin， AAMK）水泥改良的砂質黏土，系統探究了其在動態拉伸荷載下的力學響應、能量吸收特性及破壞機理，相關成果發表在《Case Studies in Construction Materials》上。
為了回答上述問題，研究人員綜合利用了多項關鍵技術方法。首先，他們采用了全因子實驗設計，制備了十六組不同砂含量（0%、8%、12%、16%）和聚丙烯纖維含量（0%、0.1%、0.2%、0.3%）的試樣。研究的核心是使用分離式霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB）系統進行動態間接拉伸（巴西圓盤）試驗，以獲得材料在高速率（約95/s至155/s）加載下的拉伸應力-應變曲線、動態拉伸強度等關鍵力學參數。基于SHPB測試的應力波信號，研究人員計算了試樣的入射能、反射能和透射能，進而推導出能量吸收密度（EDABS）和能量吸收率（RINCABS）以評估其能耗能力。試驗后，通過篩分試驗收集碎片并進行粒度分析，利用分形理論計算分形維數（Df）以量化損傷程度。此外，研究還借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了試樣在沖擊前后的微觀結構形態，特別是纖維與基體的結合情況。
研究結果：
3.1. 動態本構關系
研究獲得了十六種不同配比試樣在有效應變率范圍內的動態拉伸應力-應變、應變-時間和應力-時間曲線。分析發現，動態拉伸應力-應變曲線在彈性線性段后，存在一個從屈服拉伸應力到極限拉伸強度的平緩上升段，即塑性屈服段和應變硬化段，這是其區別于動態壓縮響應的顯著特征。以16%砂-0.2%纖維配比為例，當應變率從118.9/s增加到126.1/s（相對增加6.05%）時，殘余應變從0.129顯著增加至0.141（增加9.30%），表明材料的塑性變形對加載速率高度敏感。
3.2. 動態間接拉伸強度
通過SHPB測試數據計算得到了各試樣的動態拉伸強度。三維分析圖顯示，在有效應變率范圍內，應變率的增加對提升動態拉伸強度的影響不明顯。然而，纖維含量的影響顯著：當纖維含量達到或超過0.2%時，無論在何種砂含量下，其動態拉伸強度均明顯高于較低纖維含量（0.1%）和無纖維的試樣。其中，砂含量12%、纖維含量0.2%的配比獲得了最高的動態拉伸強度（0.49 MPa），相較于無纖維組提高了45%至60%。值得注意的是，0.1%的纖維摻量對所有砂含量下的動態拉伸強度均無明顯提升作用，表明此含量低于該材料體系發揮纖維橋接作用的臨界值。
3.3. 典型破壞模式與微觀機理
宏觀破壞形態觀察發現，隨著纖維含量的增加，試樣的二次剝落區域顯著縮小，破壞更加集中。SEM分析揭示了微觀失效機制：沖擊前，纖維與堿激發產物之間結合緊密無裂縫；沖擊后，主要破壞模式是纖維拔出和脫粘，纖維拔出產生的摩擦力是主要的能量耗散機制。在含砂組中，緊密的界面迫使裂紋擴展路徑更加曲折，消耗了更多能量。
3.4. 動態能量吸收率
基于SHPB的波動理論，計算了試樣的吸收能量密度和能量吸收率。結果表明，含纖維試樣的能量吸收密度普遍高于無纖維試樣，在砂含量16%時，纖維的加入使能量吸收密度比無纖維試樣提高了34%至145%。吸收能量密度的峰值通常出現在纖維含量為0.2%或0.3%的試樣中。能量吸收率也呈現出類似趨勢，但對應變率的依賴性不如吸收能量密度明顯。
3.5. 累積質量分布與分形分析
通過對沖擊后碎片進行篩分和分形分析，發現碎片的分形維數（Df）能夠有效量化損傷程度。隨著砂含量從12%增加到16%，分形維數顯著上升了26.0%（從1.663增至2.095）。更高的分形維數意味著更細、更復雜的碎片分布，表明材料吸收了更多能量，但也可能意味著其延展性在砂含量過高時有所下降。
本研究系統探究了纖維增強、堿激發偏高嶺土水泥改良砂質黏土的動態拉伸性能和能量吸收能力。核心結論指出，纖維和砂的協同效應是提升材料性能的關鍵。其中，纖維含量為0.2%、砂含量為12%的配比（12%S-0.2%F）在動態拉伸強度方面表現最優。纖維的加入（特別是≥0.2%）顯著提升了材料的能量吸收能力，其作用機制主要是纖維的橋接、拔出和摩擦耗能。微觀分析證實了纖維與基體間良好的界面結合是宏觀性能提升的基礎。同時，引入分形維數成功量化了沖擊后損傷，發現砂含量增加會顯著提高分形維數，反映了破壞模式的轉變。最終，研究推薦含12%砂和≥0.2%纖維的混合料作為工程應用中經濟且實用的最優配比。這項工作不僅為理解這類新型土工聚合物的動態力學行為提供了詳實的數據和深入的機理分析，更重要的是，為開發高性能、可持續的地下工程防護與回填材料提供了直接的理論依據和設計指導，具有重要的工程應用價值。
