《Cleaner Materials》：Mechanical, damage, and fracture behavior of sustainable pavement composites from mining tailings and crushed stone waste: Effects of aggregate content under compression and splitting via AE, DIC, and CT
编辑推荐：
本研究针对采矿固废（尾矿与碎石）资源化利用的迫切需求，通过系统调控碎石骨料掺量（CSAC），结合声发射（AE）、数字图像相关（DIC）和计算机断层扫描（CT）技术，揭示了CSAC对胶结尾矿-碎石复合材料（CTCSC）在压缩与劈裂荷载下力学性能、损伤演化及断裂行为的非线性影响规律。结果表明，90% CSAC时抗压强度（UCS）与弹性模量（118.70 MPa）达峰值，且裂纹扩展路径由拉伸主导转向剪切-拉伸耦合。该研究为优化可持续路面材料设计提供了关键理论依据，助力矿业固废高值化利用与低碳基础设施建设。
随着全球矿业活动的快速发展，每年产生约200亿至250亿吨的固体废弃物（如尾矿和碎石），其堆存不仅占用大量土地资源，还可能引发粉尘污染、重金属渗漏等环境问题，甚至导致尾矿坝溃坝等安全事故。如何高效、环保地利用这些采矿固废，已成为推动矿业可持续发展的重要课题。近年来，将尾矿和碎石协同用于低碳路面复合材料开发备受关注：尾矿具备良好的颗粒级配和矿物特性，而碎石骨料能提供坚实的骨架支撑。然而，骨料掺量（尤其是碎石取代尾矿的比例）如何影响材料的宏观力学响应、损伤演化与断裂机制，尚缺乏系统研究。
为破解这一难题，北京科技大学的研究团队在《Cleaner Materials》发表了最新成果，通过多尺度实验手段揭示了碎石骨料掺量（CSAC）对胶结尾矿-碎石复合材料（CTCSC）性能的调控规律。研究采用声发射（AE）、数字图像相关（DIC）和计算机断层扫描（CT）等技术，结合单轴压缩试验（UCT）和巴西劈裂试验（BST），系统分析了CSAC在0%至100%范围内CTCSC的强度、变形、裂纹扩展及破坏模式演变。
关键方法概述
研究制备了8组不同CSAC（0%~100%）的CTCSC试样，通过UCT和BST获取力学参数，并利用AE系统（Express-8 Chassis）监测损伤信号，DIC系统（VIC-3D）捕捉表面应变场，CT扫描（Nano Voxel-3502E）重构内部裂纹三维形态。所有试样均采用位移控制加载（速率0.002 mm/s），确保数据可比性。
3.1 CTCSC的强度特性
- •
UCS分析：CSAC增至90%时，UCS达峰值48.78 MPa（较0% CSAC提升61%），过量碎石（100%）则因界面粘结弱化导致强度下降。
- •
STS与T/C比：STS变化趋势与UCS类似，但增幅较小；T/C比在90% CSAC时最高（0.073），反映抗压优势更显著。
3.2 变形特性
- •
应力-应变曲线：低CSAC（≤30%）试样呈韧性破坏，高CSAC（≥75%）转为脆性；BST中预制变形由凹形渐变为线性。
- •
峰值应变与弹性模量：弹性模量在90% CSAC时最高（118.70 MPa），峰值轴向应变随CSAC增加总体降低。
3.3 基于AE的损伤演化
- •
UCT中的AE响应：预峰阶段AE活动微弱，以拉伸信号为主；后峰阶段事件率骤升，高CSAC试样RA-AF点向剪切区迁移。
- •
b值分析：全局b值在15% CSAC时最高（1.467），随后递减，表明微裂纹向宏观断裂转化加速。
3.4 基于DIC的裂纹演化
- •
UCT裂纹路径：CSAC为0%时呈单一剪切带；15%~45%时转为多点多轴拉伸裂纹；≥75%出现界面台阶状剪切裂缝。
- •
BST裂纹特征：裂纹均从加载端萌生，非中心起裂；裂口位移在60% CSAC时最大（1.860 mm），裂纹曲折度随CSAC持续上升。
3.5 宏观破坏模式
- •
UCT破坏模式：随CSAC增加，依次表现为剪切破坏（0%）、拉伸破坏（15%~30%）、拉-剪混合破坏（45%~60%）和剪-拉主导破坏（75%~100%）。
- •
BST破坏模式：分为中心竖直劈裂（0%）、偏转裂纹劈裂（15%~60%）和界面台阶状劈裂（75%~100%）。
结论与意义
本研究明确了CSAC通过调控骨料骨架形成与界面过渡区（ITZ）特性，非单调影响CTCSC的力学性能与破坏机制。90% CSAC为最优掺量，此时骨料骨架充分形成且细颗粒填充效应显著。结合CT三维重构发现，高CSAC试样裂纹路径更曲折，表明碎石骨料可增强裂纹扩展阻力。该成果为采矿固废在路面工程中的精准应用提供了多尺度设计依据，有望推动绿色建材发展与“无废矿山”建设。未来需进一步量化骨料形貌效应，并开展原位CT观测以揭示动态断裂过程。
