《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Experimental study on the mode I fracture of hybrid fiber-reinforced cementitious composites under high loading rate
编辑推荐：
钢纤维-PVA混合增强水泥基复合材料在冲击荷载下的动态抗裂机理及协同效应研究。采用SHPB系统耦合动态DIC分析，揭示纤维掺量对动态断裂 toughness的影响规律，证实钢纤维可显著抑制裂纹扩展，降低损伤演化敏感性。纤维-基体界面交互作用主导能量耗散机制转变，形成刚性-柔性协同增韧效应。
董志文|杨国亮|毕静久|赵同德|赵康普|王慧婷
中国矿业大学（北京）能源与矿业工程学院，北京 100083，中国
摘要
为了研究在不同纤维类型组合配置下（包括刚性钢纤维和延性聚乙烯醇（PVA）纤维），在“刚性-柔性协同”模式下，这些纤维对能量吸收和裂纹抑制能力的差异，并量化钢纤维用量对冲击失效行为的影响，本研究采用了分裂霍普金森压力杆（SHPB）系统与动态数字图像相关（DIC）技术。通过该技术捕捉了实时裂纹扩展场，并基于统计分析得出了损伤和聚集因子。直切口半圆形弯曲（NSCB）试样在不同压力（0.15–0.23 MPa）下受到冲击载荷，以考察裂纹的起始和扩展行为。结果表明，钢纤维的加入不仅提高了水泥基体的动态断裂韧性，还降低了其对冲击压力的敏感性；具体来说，随着纤维含量的增加，断裂韧性对冲击压力的依赖性减小。在能量耗散方面，总吸收能量随加载速率的增加而增加，而能量吸收率则呈现下降趋势。纤维的桥接和拉伸作用将主导的能量耗散机制从脆性断裂转变为涉及裂纹扩展、纤维拔出或滑移以及摩擦耗散的协同过程。裂纹穿透后，含有钢纤维的试样显示出较低的损伤因子，这表明纤维对裂纹不稳定性的发展具有抑制作用。这些发现表明，纤维不仅提高了抗冲击性能，还通过改变裂纹扩展路径和能量耗散机制来调节动态断裂过程。总体而言，本研究为设计和应用高性能纤维增强复合材料以应对极端载荷条件下的保护结构提供了新的见解。
引言
随着现代工程项目向更高的承载能力、更大的跨度以及更强的抗灾性能发展，作为土木工程基础组成部分的水泥材料面临着日益复杂的服务环境[1]。除了传统的静态载荷[2]、[3]、[4]外，地震作用[5]、爆炸[6]和高频振动[7]等动态载荷也变得越来越普遍。这些动态载荷的特点是突然发生、能量强度高且破坏性严重，对结构的安全性和耐久性构成了更大的威胁。纤维增强水泥基复合材料（FRCCs）通过将钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纤维等功能性纤维掺入水泥基体中，解决了传统水泥材料的高脆性、低抗拉强度和有限的抗裂性等固有缺陷。通过纤维与基体之间的有效界面结合[8]，这些复合材料显著提高了裂纹桥接能力和整体机械性能。在动态载荷条件下，FRCCs表现出更强的能量吸收[9]、裂纹抑制[10]和变形适应性[11]，使其成为承受复杂动态作用结构的关键工程材料。因此，系统研究FRCCs的动态性能对于准确阐明其动态力学行为并满足紧迫的工程和实际需求至关重要。
关于单纤维增强系统的研究相对较早出现，其核心前提是利用各种纤维类型的内在特性与水泥基体产生协同作用，从而选择性地改善水泥材料的特定性能缺陷。张等人[12]报告称，适量的纤维添加（体积分数为0.5%–2.0%）显著提高了强度和韧性。在三种钢纤维几何形状（直纤维、钩端纤维和波纹纤维）中，波纹纤维的增强效果最为显著，其次是钩端纤维，而直纤维的效果最弱。李等人[13]、[14]表明，加入轻质合成纤维（如聚丙烯纤维[13]和PVA纤维[15]）虽然略微降低了压缩强度和剪切强度，但显著提高了弯曲强度和韧性。对于无机非金属纤维，郑等人[16]研究了玄武岩纤维增强混凝土的力学性能，纤维含量范围为0.1%至0.3%，并确定0.2%为最佳用量，主要提高了拉伸和弯曲性能。Donnini等人[17]进一步表明，加入短碳纤维显著提高了水泥砂浆的弯曲性能，同时将其电导率降低到150 Ω·cm以下。
现代工程材料日益严格的性能要求使得单纤维增强系统难以同时满足强度、韧性、抗裂性和耐久性等多维需求。因此，混合纤维增强系统作为一种有效的解决方案应运而生。通过合理组合两种或更多具有不同材料特性和长度尺度的纤维，这些系统利用纤维之间的协同作用来实现多种材料性能的协调增强。由此，混合纤维增强成为纤维增强水泥复合材料领域的一个重要研究焦点。早期的基础工作由李等人[18]完成，他们提出了基于微观力学理论的混合纤维增强模型。该模型阐明了不同纤维的应力状态和相互作用机制，为配合比设计提供了理论基础。Mihashi等人[19]研究了在电化学腐蚀条件下含有聚乙烯（PE）和钢绳（SC）纤维的纤维增强水泥基复合材料（FRCCs）的耐久性。他们的结果表明，混合纤维的加入改善了水泥基体的孔结构并增强了抗离子渗透的能力。Felekoglu等人[20]系统评估了纤维类型、用量、混合比例和基体结构对机械性能的影响，确定纤维分散均匀性和界面结合强度是控制协同增强的主要因素。从工程应用的角度来看，王等人[21]评估了在低循环载荷下纤维增强聚合物增强混凝土框架接头的抗震性能。结果表明，混合纤维的加入显著提高了抗震性能和结构的延展性。
钢纤维因其高强度和弹性模量[22]、[23]而被广泛用于提高混合纤维增强水泥基复合材料的抗压强度。在动态性能研究中，最近的研究[24]、[25]、[26]表明，结合钢纤维和合成纤维的混合系统可以有效提高超高性能水泥基复合材料的动态强度和能量耗散能力，而不会显著影响应变硬化行为。曹等人[27]研究了掺有钢纤维、PVA纤维和低成本碳酸钙（CaCO?）晶须的水泥基复合材料的力学和收缩性能。他们的结果表明，这种混合纤维系统显著增强了复合材料的性能。具体来说，钢纤维主要减缓了干燥收缩，而PVA纤维和CaCO?晶须在抑制塑性收缩方面更有效。刘等人[28]应用裂纹饱和指数和伪应变硬化标准设计了具有饱和多裂纹的水泥基复合材料，并确定了PVA纤维的最佳体积分数为1.5%，钢纤维为0.68%。张等人[29]研究了在四种水灰比下用三种类型钢纤维增强的水泥基复合材料的弯曲性能。结果表明，随着钢纤维含量的增加，裂纹强度和弯曲强度均有所提高。在弯曲载荷下，复合材料表现出双峰载荷-位移响应，钢纤维在较高水灰比的基体中提供了更显著的增强效果。黄等人[30]利用高速红外热成像技术研究了在冲击载荷下掺有钢-聚丙烯纤维的混凝土的热机械相互作用，揭示了结构响应与温度演变之间的明显相关性。崔等人[31]采用数字图像相关（DIC）方法研究了各种纤维增强混凝土（FRC）样品的断裂特性和裂纹扩展情况，获得了其在动态载荷下的拉伸响应和能量耗散性能信息。纤维的加入提高了抗冲击性能，减轻了加载界面处的应力集中失效，延迟了裂纹的起始，并抑制了裂纹的扩展。在各种纤维类型中，钢纤维对裂纹发展的抑制作用优于棕榈纤维。虽然棕榈纤维混凝土的能量耗散低于传统混凝土，但钢纤维混凝土显示出更强的能量吸收能力。在相似的加载持续时间内，棕榈纤维增强和钢纤维增强混凝土的峰值应变均低于传统混凝土。钢纤维有效阻碍了内部裂纹的扩展，导致损伤变量的增幅更为温和。
尽管在单纤维和混合纤维增强系统的研究中取得了实质性进展，但混合纤维系统中协同增强的机制仍不够明确。此外，尚缺乏指导配合比优化的统一理论框架，最佳纤维组合的确定在很大程度上依赖于经验性的试错方法。它们在动态载荷条件下的具体作用——尤其是在高应变率下——在裂纹演化、能量吸收和损伤机制中的作用仍不清楚[32]、[33]、[34]。本研究使用直径为50 mm的分裂霍普金森压力杆（SHPB）装置和超高速成像技术，对由钢-PVA混合纤维增强水泥基复合材料制成的预切口半圆形弯曲（NSCB）试样进行了动态断裂测试。在中等到高应变率条件下，研究了与裂纹起始和扩展相关的韧性。此外，还应用数字图像相关（DIC）分析来表征裂纹前沿附近的断裂性能演变，研究断裂过程中的成核过程，并阐明混合复合材料的失效机制。
实验方法
表1展示了掺有钢纤维和PVA纤维的混合水泥基复合材料的详细配合比。PVA纤维和钢纤维的相关性能参数见表2。
钢-PVA纤维混合增强水泥基复合材料（HFRCC）试样的制备步骤如下：首先将水泥、粉煤灰和细砂放入搅拌机中，在干燥状态下混合3分钟。然后，加入预定量的水
动态应力平衡验证和加载率确定
在动态实验中，确保试样两端的力平衡对于NSCB冲击实验的可靠性至关重要。按照ISRM标准[36]规定的动态拉伸测试程序，采用波形整形技术来实现力平衡。橡胶垫作为波形整形器，放置在输入杆的接触面上。当弹丸撞击时，一个半正弦应力波通过输入杆传播。
结论
本研究探讨了在动态载荷条件下钢-PVA混合纤维增强水泥基复合材料（HFRCC）的断裂行为和能量吸收特性。通过分裂霍普金森压力杆（SHPB）测试结合数字图像相关（DIC）分析，揭示了混合纤维对混凝土材料的动态断裂韧性、裂纹演变和能量耗散机制的显著影响。研究的主要发现如下
作者贡献声明
董志文：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理，概念构思。杨国亮：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念构思。毕静久：概念构思。赵同德：概念构思。赵康普：方法学，研究，概念构思。王慧婷：概念构思。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51934001）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
