基于贝叶斯框架的聚丙烯纤维增强生土力学性能概率表征与不确定性量化研究

《Results in Engineering》：A Bayesian Framework for Mechanical Characterization of Unstabilized Rammed Earth Reinforced With Polypropylene Fibers

本研究针对高含量聚丙烯纤维增强生土（URE）力学性能表征不足的问题，通过实验与贝叶斯反演结合，建立了纤维含量与抗压/抗弯强度的概率模型。结果表明，5%纤维掺量使抗压强度提升163.3%，但抗弯强度降低79.2%，揭示了强度-刚度权衡机制。该框架为纤维增强土基材料的非破损检测提供了新范式。

　　

在全球建筑能耗占总量36%、碳排放占比39%的严峻背景下，发展低碳建材已成为行业迫切需求。生土（Rammed Earth）作为千年传承的绿色建材，因其低蕴能、可循环特性重获关注。然而，传统生土存在抗拉强度低、脆性显著等瓶颈，常需通过添加水泥或石灰等化学稳定剂提升性能，但这又导致环境负担加剧。为此，学者们转向探索纤维增强路径——将天然或合成纤维掺入生土，形成三维支撑网络，以期实现“无化学添加的强化”。其中，聚丙烯纤维因耐腐蚀、成本低等优势成为研究热点，但高掺量（>1%）下其力学响应规律及不确定性尚未系统揭示。

西班牙格拉纳达大学研究团队在《Results in Engineering》发表论文，通过实验与贝叶斯建模相结合，首次系统量化了聚丙烯纤维掺量（0%-5%）对生土力学性能的影响机制。研究创新性地引入贝叶斯反演框架，将材料本构关系转化为概率模型，从而兼容实验误差与模型不确定性，为纤维增强土材料的性能预测与质量控制提供了新范式。

研究采用四项关键技术方法：首先制备不同纤维掺量（0%、1.5%、3.5%、5%）的矩形试样，通过无侧限抗压、三点弯曲和超声脉冲速度（UPV）测试获取力学参数；其次建立纤维含量与抗压强度（f_c）、弹性模量（E）、密度（ρ）的显式函数模型；进而采用Metropolis-Hastings算法求解贝叶斯反问题，通过80万次抽样更新参数后验分布；最后利用UPV非破损测量数据验证模型预测效能，实现从无损检测到力学性能的概率化推断。

1. 抗弯强度表征

通过三点弯曲试验发现，聚丙烯纤维的掺入显著降低生土抗弯强度（f_ct,fl）。当纤维含量从0%增至5%时，抗弯强度从1.26 MPa降至0.29 MPa，降幅达79.2%。贝叶斯反演显示，其衰减规律符合指数模型f_ct,fl= θ₁exp(–θ₂x_f)，且模型不确定性随纤维含量增加而增大，反映纤维分散不均导致的性能波动。

2. 抗压强度与弹性模量

纤维增强生土的抗压强度呈现与抗弯强度相反的趋势：5%纤维掺量时，抗压强度达16.43 MPa，较基准组（6.2 MPa）提升163.3%。弹性模量则从334.78 MPa（0%纤维）降至43.72 MPa（5%纤维），表明材料由刚性向延性转变。贝叶斯后验分布验证了“纤维含量-抗压强度”正相关性与“纤维含量-弹性模量”负相关性的统计显著性。

3. 超声脉冲速度（UPV）与性能关联

UPV测试显示，纤维掺量超过3.5%时，波速降至550 m/s以下（检测限），与密度下降趋势一致。通过建立UPV与弹性模量、密度的物理关系（V ∝ √(E/ρ)），研究实现了仅凭UPV数据逆向预测纤维含量、抗压强度等参数，预测误差在90%置信区间内覆盖实测值。

4. 模型验证与工程适用性

以0.5%纤维掺量的圆柱试件为独立样本验证模型，结果显示：基于UPV测量的纤维含量预测值为0.48%（实测0.5%），抗压强度预测为5.3 MPa（实测5.1 MPa）。所有实测值均落入后验分布的90%置信区间，证明该概率框架对实际工程中非破损评估的有效性。

本研究通过贝叶斯力学表征框架，揭示了高掺量聚丙烯纤维增强生土的强度-刚度权衡机制：纤维提升抗压性能却牺牲抗弯能力，这一矛盾源于纤维引入的孔隙率变化与应力重分布。该研究的意义在于将确定性模型拓展为概率预测工具，既解决了传统方法忽视不确定性的缺陷，又为历史建筑无损检测、纤维土结构质量监控提供了理论支持。未来工作可聚焦再生纤维变异性建模、多尺度本构关系挖掘，推动生土材料在可持续建筑中的精准应用。