《Case Studies in Construction Materials》：Dynamic tensile behavior of fiber-reinforced sandy clay treated with alkali-activated metakaolin cement
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针对沿海地下工程受地质动力和人为活动影响频繁的问题，本研究旨在探明其回填材料——碱激发偏高岭土（AAMK）水泥改良纤维增强砂质黏土——的动态力学性能与能量吸收能力。研究人员利用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统，对不同砂、纤维、聚合物含量的混合料进行了动态间接拉伸试验，评估了其动态拉伸性能、能量吸收密度与速率，并通过SEM观察微观结构演变、利用碎片尺寸分布的分形分析来表征损伤。结果表明，纤维掺量0.2%、砂含量12%的配比可获得最大动态拉伸强度；纤维的加入使能量吸收密度比无纤维试样提高约34%–145%，分形维数随砂含量增加显著上升。研究结果为这类可持续回填材料在冲击防护工程中的应用提供了关键设计依据。
在地下工程领域，尤其是在地震活动带或面临爆破等动态荷载威胁的海岸带，回填材料不仅是支撑结构的一部分，更是保护工程安全的第一道“护盾”。传统的混凝土回填材料固然坚固，但其生产伴随着高能耗与高碳排放。同时，像砂质黏土这类天然地质材料，在动态荷载下容易因拉伸强度不足而发生脆性破坏。那么，能否开发出一种既“绿色”又“强韧”的新型回填材料，使其在面对剧烈冲击时，不仅能抵抗破坏，还能像海绵一样有效地吸收和耗散能量？这正是本研究致力于回答的核心问题。研究人员聚焦于一种新型复合土工材料——纤维增强、经碱激发偏高岭土（Alkali-Activated Metakaolin， AAMK）水泥改良的砂质黏土，系统探究了其在动态拉伸荷载下的力学响应、能量吸收特性及破坏机理，相关成果发表在《Case Studies in Construction Materials》上。
为了回答上述问题，研究人员综合利用了多项关键技术方法。首先，他们采用了全因子实验设计，制备了十六组不同砂含量（0%、8%、12%、16%）和聚丙烯纤维含量（0%、0.1%、0.2%、0.3%）的试样。研究的核心是使用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB）系统进行动态间接拉伸（巴西圆盘）试验，以获得材料在高速率（约95/s至155/s）加载下的拉伸应力-应变曲线、动态拉伸强度等关键力学参数。基于SHPB测试的应力波信号，研究人员计算了试样的入射能、反射能和透射能，进而推导出能量吸收密度（EDABS）和能量吸收率（RINCABS）以评估其能耗能力。试验后，通过筛分试验收集碎片并进行粒度分析，利用分形理论计算分形维数（Df）以量化损伤程度。此外，研究还借助扫描电子显微镜（SEM）观察了试样在冲击前后的微观结构形态，特别是纤维与基体的结合情况。
研究结果：
3.1. 动态本构关系
研究获得了十六种不同配比试样在有效应变率范围内的动态拉伸应力-应变、应变-时间和应力-时间曲线。分析发现，动态拉伸应力-应变曲线在弹性线性段后，存在一个从屈服拉伸应力到极限拉伸强度的平缓上升段，即塑性屈服段和应变硬化段，这是其区别于动态压缩响应的显著特征。以16%砂-0.2%纤维配比为例，当应变率从118.9/s增加到126.1/s（相对增加6.05%）时，残余应变从0.129显著增加至0.141（增加9.30%），表明材料的塑性变形对加载速率高度敏感。
3.2. 动态间接拉伸强度
通过SHPB测试数据计算得到了各试样的动态拉伸强度。三维分析图显示，在有效应变率范围内，应变率的增加对提升动态拉伸强度的影响不明显。然而，纤维含量的影响显著：当纤维含量达到或超过0.2%时，无论在何种砂含量下，其动态拉伸强度均明显高于较低纤维含量（0.1%）和无纤维的试样。其中，砂含量12%、纤维含量0.2%的配比获得了最高的动态拉伸强度（0.49 MPa），相较于无纤维组提高了45%至60%。值得注意的是，0.1%的纤维掺量对所有砂含量下的动态拉伸强度均无明显提升作用，表明此含量低于该材料体系发挥纤维桥接作用的临界值。
3.3. 典型破坏模式与微观机理
宏观破坏形态观察发现，随着纤维含量的增加，试样的二次剥落区域显著缩小，破坏更加集中。SEM分析揭示了微观失效机制：冲击前，纤维与碱激发产物之间结合紧密无裂缝；冲击后，主要破坏模式是纤维拔出和脱粘，纤维拔出产生的摩擦力是主要的能量耗散机制。在含砂组中，紧密的界面迫使裂纹扩展路径更加曲折，消耗了更多能量。
3.4. 动态能量吸收率
基于SHPB的波动理论，计算了试样的吸收能量密度和能量吸收率。结果表明，含纤维试样的能量吸收密度普遍高于无纤维试样，在砂含量16%时，纤维的加入使能量吸收密度比无纤维试样提高了34%至145%。吸收能量密度的峰值通常出现在纤维含量为0.2%或0.3%的试样中。能量吸收率也呈现出类似趋势，但对应变率的依赖性不如吸收能量密度明显。
3.5. 累积质量分布与分形分析
通过对冲击后碎片进行筛分和分形分析，发现碎片的分形维数（Df）能够有效量化损伤程度。随着砂含量从12%增加到16%，分形维数显著上升了26.0%（从1.663增至2.095）。更高的分形维数意味着更细、更复杂的碎片分布，表明材料吸收了更多能量，但也可能意味着其延展性在砂含量过高时有所下降。
本研究系统探究了纤维增强、碱激发偏高岭土水泥改良砂质黏土的动态拉伸性能和能量吸收能力。核心结论指出，纤维和砂的协同效应是提升材料性能的关键。其中，纤维含量为0.2%、砂含量为12%的配比（12%S-0.2%F）在动态拉伸强度方面表现最优。纤维的加入（特别是≥0.2%）显著提升了材料的能量吸收能力，其作用机制主要是纤维的桥接、拔出和摩擦耗能。微观分析证实了纤维与基体间良好的界面结合是宏观性能提升的基础。同时，引入分形维数成功量化了冲击后损伤，发现砂含量增加会显著提高分形维数，反映了破坏模式的转变。最终，研究推荐含12%砂和≥0.2%纤维的混合料作为工程应用中经济且实用的最优配比。这项工作不仅为理解这类新型土工聚合物的动态力学行为提供了详实的数据和深入的机理分析，更重要的是，为开发高性能、可持续的地下工程防护与回填材料提供了直接的理论依据和设计指导，具有重要的工程应用价值。
