《Case Studies in Construction Materials》：Fractal Characteristics of Fragmentation and Evolution Law of Dissipated Energy in Early-Age Concrete–Surrounding Rock Composite Under Impact Loading
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为探究爆破荷载对早龄期混凝土衬砌结构的损伤机制，研究人员通过SHPB实验与细观模拟相结合，系统研究了2–4天龄期混凝土-花岗岩复合试件在类爆破荷载下的动态响应与损伤机理。结果表明：随养护龄期增长，复合体从高耗能变形状态向脆性增强状态转变；耗散能随冲击速度显著提升（2天龄期增幅96.07%，4天龄期达207.11%）；基于波阻抗匹配理论建立的修正模型将预测误差从14%降至4%。该研究为隧道爆破参数精准设计提供了理论支撑。
在隧道爆破开挖、矿山充填等工程中，喷射混凝土被广泛用于初期围岩支护，以控制围岩风化变形并维持稳定性。然而，隧道施工进度常要求混凝土未充分硬化时即进行后续爆破，此时混凝土缺乏足够水化强度和设计承载力，爆破扰动易导致早龄期喷射混凝土强度受损。因此，研究早龄期混凝土-围岩复合体在动态荷载下的力学性能具有重要工程意义。现有研究多聚焦于早龄期混凝土的静态性能或单一介质冲击响应，对混凝土-围岩复合体在冲击荷载下的动态力学行为，特别是基于三维细观骨料模型的研究尚属空白。
为填补这一研究空白，本研究采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)实验系统，结合高速摄影技术，对2天、3天和4天龄期的混凝土-花岗岩复合试件开展冲击实验，分析其能量耗散规律、破碎分形特征，并基于LS-DYNA软件构建细观数值模型，再现复合体在单次冲击加载下的动态破碎过程。论文发表于《Case Studies in Construction Materials》。
研究主要关键技术方法包括：采用?100 mm大直径SHPB系统进行冲击实验，通过波形整形技术促进应力平衡；利用高速摄影记录试件动态变形与裂纹扩展过程；基于三维随机凸多面体骨料模型建立混凝土细观数值模型，考虑骨料、砂浆及界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)的材料差异；通过HJC本构模型描述材料动态力学行为；运用分形理论量化破碎块度分布特征。
4.1 冲击荷载下早龄期混凝土-围岩复合体断裂演化过程
通过高速摄影观测发现，复合体破坏始于混凝土端部拉伸裂纹，随后裂纹穿越混凝土-花岗岩界面向岩体内部扩展。细观模拟进一步揭示，ITZ作为骨料与砂浆间的力学薄弱区，主导了损伤起始与扩展过程，最终形成贯通裂纹并导致混凝土完全破碎，而花岗岩仅边缘局部碎裂。
4.2 冲击荷载下早龄期混凝土-围岩复合体分形特性
破碎筛分结果表明，碎片粒径分布具有显著自相似性，符合分形规律。冲击速度升高使分形维数D增大（如2天试件从2.06增至2.37），表明更高冲击能量导致更细化破碎；相同冲击条件下，随混凝土龄期增长，分形维数D降低（4天试件D=1.80–2.23），反映材料抗破碎能力提升。
4.3 冲击荷载下早龄期混凝土-围岩复合体能量演化规律
能量分析显示，入射能量从300 J增至700 J时，2天、3天和4天试件耗散能分别增长96.07%、172.63%和207.11%，表明混凝土强度发展提升其抗冲击耗能需求。能量吸收率τ随龄期增加而下降（2天试件τ=0.23，4天试件τ=0.13），源于水泥基体强度提高与内部缺陷减少。
4.4 冲击荷载下复合体不同介质能量吸收特性
基于波阻抗理论计算能量传递系数发现，随混凝土龄期增长，其波阻抗逐渐接近花岗岩，导致混凝土相能量吸收占比下降（从2天的30.3%降至4天的24.2%），花岗岩相能量吸收占比上升（从69.7%增至75.8%）。耗散能WC与分形维数D呈正相关，证实能量驱动破碎细化的物理机制。
5.4 早龄期混凝土-围岩复合材料能量耗散特性
数值模拟与实验对比表明，传统单次透反射理论存在局限。通过引入修正因子β=1.15，建立波阻抗修正模型，将能量传递系数预测误差从14%降至4%，显著提升应力波在复合介质中能量分配预测精度。
研究结论表明，早龄期混凝土-围岩复合体的动态力学行为显著受混凝土龄期影响：低龄期混凝土呈现高耗能变形特性，随龄期增长逐渐转向脆性破坏；ITZ作为细观薄弱界面主导损伤演化；波阻抗匹配程度决定能量在介质间分配效率。该研究通过实验与模拟相结合，揭示了复合体在冲击荷载下的损伤机制，建立的波阻抗修正模型为隧道爆破参数精准设计、控制衬砌结构动力损伤提供了理论依据。在实际工程中，建议根据混凝土龄期动态调整单段起爆药量，降低允许爆破振动速度，以保障早龄期衬砌结构安全。
