多次沖擊壓縮作用下大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

劉建忠，孫偉，劉加平，石亮，呂進(jìn)，李長風(fēng)

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；2.東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189）

多次沖擊壓縮作用下大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

劉建忠1，2，孫偉2，劉加平1，2，石亮1，呂進(jìn)1，李長風(fēng)1

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；2.東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189）

采用分離式Hopkinson桿，系統(tǒng)研究了4種不同鋼纖維體積摻量（分別為0%，1.0%，1.5%和2.0%）的大摻量粉煤灰超高性能混凝土在多次沖擊壓縮作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和材料損傷劣化的全過程．結(jié)果表明：在多次沖擊壓縮荷載作用下，隨著鋼纖維的摻入及摻量的增加，超高性能混凝土抗動(dòng)態(tài)破壞作用的能力明顯增強(qiáng)；隨著沖擊次數(shù)的增加，超高性能鋼纖維混凝土的損傷不斷累積直至最后失效，呈現(xiàn)出裂而不散的破壞特征．

超高性能混凝土；大摻量粉煤灰混凝土；多次沖擊壓縮；動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

我國的重要軍事政治經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、民用建筑可能遭到高技術(shù)武器精確打擊、恐怖爆炸襲擊和偶然性撞擊或爆炸的破壞作用．這不僅對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成彎曲、剪切變形甚至倒塌等整體破壞，還會(huì)造成侵徹、貫穿、震塌等嚴(yán)重的局部破壞．迫切需要研發(fā)抗強(qiáng)動(dòng)載作用的超高性能混凝土材料，以滿足我國國防工程和重要民用工程安全防護(hù)的重大戰(zhàn)略需求[1-3]．

對(duì)于超高性能混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究得到了廣泛的關(guān)注，主要采用Hopkinson壓桿裝置，研究了C100鋼纖維高強(qiáng)混凝土的沖擊壓縮、沖擊拉伸性能[4-5]，并提出了纖維-基體界面粘結(jié)、纖維摻量是提高混凝土抗沖擊性能的關(guān)鍵因素，但未對(duì)多次沖擊作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究．筆者采用常規(guī)材料和工藝，研制出了粉煤灰摻量達(dá)50%的大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維增強(qiáng)混凝土，并研究了靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，超高性能鋼纖維混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊破壞能力[6-7]．

考慮到國防防護(hù)工程材料和結(jié)構(gòu)在實(shí)戰(zhàn)中往往經(jīng)受敵方武器的二次和多次攻擊，本文在已有研究基礎(chǔ)上，采用分離式Hopkinson桿，系統(tǒng)研究了4種不同鋼纖維體積摻量（分別為0%，1.0%，1.5%和2.0%）的大摻量粉煤灰超高性能混凝土在多次沖擊壓縮作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，明晰防護(hù)工程用超高性能混凝土在二次和多次沖擊下結(jié)構(gòu)承載能力變化和材料損傷劣化的全過程，為防護(hù)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用原材料的基本性能，試驗(yàn)用混凝土配合比，混凝土攪拌與試件成型、加工，以及沖擊壓縮試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[7]．試件的損傷測試與表征方法如下．

采用非金屬超聲波檢測儀測試了試件在沖擊前后聲時(shí)的變化，以評(píng)價(jià)混凝土材料的損傷程度．超聲波分析儀的基本參數(shù)為：發(fā)射頻率50 kHz，最小聲時(shí)0.1s；檢測試件長度40mm．在測試過程中，先將混凝土試件表面的水擦干，然后在試件兩端涂上耦合劑，超聲波探頭與混凝土試件耦合好后，采集并記錄數(shù)據(jù)．

混凝土材料的動(dòng)彈性模量與聲速和聲時(shí)之間存在如下關(guān)系：

其中：Ed為動(dòng)彈性模量；V為聲速（m/s）；為試件密度（kg/m3）；為泊松比；t為聲時(shí)（s）；L為試件長度（m）．

對(duì)于同一材料，在試驗(yàn)過程中其密度、泊松比可以認(rèn)為是定值，則相對(duì)動(dòng)彈性模量可按下式計(jì)算：

其中：P為經(jīng)過n次沖擊后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，以6次測試結(jié)果的平均值計(jì)算（%）；Ed,n為n次沖擊后試件的動(dòng)彈性模量；Ed,0為試件的初始動(dòng)彈性模量；tn為n次沖擊后試件的聲時(shí)（s）；t0為試件的初始聲時(shí)（s）．

同時(shí)，根據(jù)損傷力學(xué)的原理，沖擊壓縮后混凝土試件的損傷變量D為：

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 多次沖擊壓縮試驗(yàn)波形

試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)高壓氮?dú)鈿鈮海@得不同的子彈速度；同時(shí)，在入射桿子彈撞擊端粘貼一定厚度的薄片作為脈沖整形器，減少波形彌散[8]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試件受載應(yīng)變率的控制．本試驗(yàn)選擇了0.25 MPa、0.30MPa、0.35MPa的3種氣壓值，引發(fā)了約為4.5m/s、6.5m/s、7.8m/s的子彈速度，在試件中產(chǎn)生的加載應(yīng)變率分別約為15 s1、25 s1和35 s1．表1給出了4組混凝土的多次沖擊試驗(yàn)制度，即先采用0.25MPa、0.30MPa或0.35MPa氣壓對(duì)試件進(jìn)行第1次沖擊，然后采用0.30MPa或0.35MPa氣壓對(duì)試件再進(jìn)行2次和多次沖擊．

表1 多次沖擊試驗(yàn)制度Tab.1 Testschemeofmulti-impact

按表1所示試驗(yàn)制度，對(duì)4組超高性能混凝土進(jìn)行了多次沖擊壓縮試驗(yàn)．測試過程中試件被夾在入射桿和透射桿之間，由高壓氣體推動(dòng)槍膛中的子彈撞擊入射桿，產(chǎn)生一個(gè)彈性波（入射波）并在入射桿中傳播，當(dāng)入射波傳到試件時(shí)，整個(gè)試件將被壓縮；由于桿與試件之間的波阻抗差異，入射波被部分反射，以反射波形式重新返回入射桿，而另一部分則透過試件作為透射波進(jìn)入透射桿．借助于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別將入射波，反射波以及透射波記錄下來，圖1列出部分試驗(yàn)波形．從所采集的波形圖可以看出，隨著第1次沖擊速度的提高，所產(chǎn)生的第1次沖擊入射波和透射波的幅值均不斷提高，同時(shí)材料第1次沖擊損傷也隨之增加；第2次和第3次的沖擊速度相同，入射波幅值相同，但透射波幅值卻因材料損傷積累而降低，第1次沖擊的損傷越大，透射波幅值降低越明顯；在透射波幅值降低的同時(shí)，反射波幅值有所增加．

圖1 超高性能混凝土多次沖擊壓縮試驗(yàn)的典型波形Fig.1 Typicalstresswave ofultra-high performance concretesubjected tomulti-impactcompression

2.2 多次沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

基于一維應(yīng)力波理論建立的試件應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算公式[9]，采用圖1所采集的反射波和透射波，可計(jì)算得多次沖擊作用下各試件的應(yīng)力和應(yīng)變值．圖2列出了部分試件在多次沖擊壓縮作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律將在2.3節(jié)中具體闡述．

圖2 超高性能混凝土多次沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stressvsstrain curves of ultra-high perform ance concrete subjected tomulti-impactcompression

2.3 多次沖擊壓縮作用下試件的損傷過程

經(jīng)過多次沖擊后試件的損傷發(fā)展規(guī)律如圖3．從應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖2）和損傷演化過程（圖3）可以看出：1）隨著沖擊次數(shù)的增加，材料的應(yīng)變率和峰值應(yīng)變逐漸提高，峰值應(yīng)力逐漸下降，反映了材料在多次沖擊下?lián)p傷逐漸累積的過程；2）未摻鋼纖維的H 100混凝土試件在多次沖擊壓縮荷載作用下，在未開裂之前，內(nèi)部基本上無損傷，但一定次數(shù)沖擊后試件的損傷就急劇增大，表現(xiàn)為突然性的斷裂，從而無法再進(jìn)行繼續(xù)沖擊；3）鋼纖維的摻入，混凝土抗多次沖擊的能力明顯增強(qiáng)，且隨著纖維摻量的增加，混凝土抗多次沖擊的能力也逐漸提高；4）在較低幅值壓縮荷載多次沖擊作用下，摻鋼纖維的混凝土試件的損傷度增加緩慢，只有當(dāng)壓縮荷載幅值達(dá)一定程度時(shí)，混凝土損傷D才較大幅度增大，直至破壞，即整個(gè)多次沖擊壓縮作用過程，試件損傷表現(xiàn)為明顯的累積過程．

2.4多次沖擊壓縮后試件的破壞形態(tài)

圖4給出了各系列混凝土在經(jīng)歷多次沖擊后試件的破壞形態(tài)．

從圖4可以看出：1）未摻鋼纖維的H100混凝土經(jīng)多次沖擊壓縮后，試件碎成小塊，出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損；2）由于纖維的阻裂作用，在較低幅值壓縮荷載多次沖擊作用下，摻鋼纖維混凝土試件未能發(fā)現(xiàn)明顯的破裂現(xiàn)象；當(dāng)壓縮荷載幅值增大后，隨著損傷的不斷累積，摻鋼纖維混凝土試件呈現(xiàn)出裂而不散的破壞特征．

圖3 超高性能混凝土多次沖擊壓縮作用下的損傷演化過程Fig.3 Damageevolution ofultra-high performance concrete subjected tomulti-impact compression

3 結(jié)論

1）在多次沖擊壓縮荷載作用下，隨著鋼纖維的摻入及摻量的增加，大摻量粉煤灰超高性能混凝土抗動(dòng)態(tài)破壞作用的能力明顯增強(qiáng)．

2）隨著沖擊次數(shù)的增加，大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的損傷不斷累積直至最后失效，呈現(xiàn)出裂而不散的破壞特征．

圖4 超高性能混凝土多次沖擊壓縮后的破壞形態(tài)Fig.4 Fracture pattern ofultra-high performance concrete aftermulti-impact compression

[1]戎志丹，孫偉，張?jiān)粕咝阅芑炷恋闹苽浼傲W(xué)性能研究[J]．新型建筑材料，2008（13）：145-149．

[2]石少卿，劉穎芳，尹平，等．新型抗沖擊、抗爆炸防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究[J]．后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（3）：9-11，15．

[3]佘偉，張?jiān)粕?，孫偉，等．綠色超高性能纖維增強(qiáng)水泥基防護(hù)材料抗侵徹、抗爆炸試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（S1）：2777-2783．

[4]巫緒濤，胡時(shí)勝，陳德興，等．鋼纖維高強(qiáng)混凝土沖擊壓縮的試驗(yàn)研究[J]．爆炸與沖擊，2005，25（2）：125-131．

[5]嚴(yán)少華，李志成，王明洋，等．高強(qiáng)鋼纖維混凝土沖擊壓縮特性試驗(yàn)研究[J]．爆炸與沖擊，2002（3）：237-241．

[6]劉建忠，孫偉，繆昌文，等．大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的試驗(yàn)研究[J]．新型建筑材料，2008（13）：150-155．

[7]劉建忠，孫偉，繆昌文，等．大摻量粉煤灰超高性能鋼纖維混凝土的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，33（6）：21-28

[8]孫偉，賴建中．超高性能水泥基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J]．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，8（5）：443-453．

[9]王禮立．應(yīng)力波基礎(chǔ)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2005．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Dynam icmechanicalbehavior of ultra-high performance steel fiber reinforced concretem ixed w ith high volume fly ash under multi-impactcompression

LIU Jian-zhong1,2，SUNWei2，LIU Jia-ping1，SHILiang1，LüJin1，LIChang-feng1

(1.StateKey LaboratoryofHigh PerformanceCivilEngineeringMaterials,JiangsuResearch InstituteofBuilding Science,JianhsuNanjing 210008,China;2.Jiangsu Key Laboratory of CivilEngineeringMaterials,SoutheastUniversity,Jiangsu Nanjing 211189,China)

The influenceof steel fibervolumedosageon dynam icmechanicalbehaviorofultra-high performancesteel fiber reinforced concretem ixed w ith high volume fly ash undermulti-impact compression was investigated.Four volume dosage levelsof0%,1.0%,1.5%and 2.0%wereevaluated and thedynam icmechanicalbehaviorwasperformed on sp lit Hopkinson pressurebarapparatus.Resultshave revealed thatultra-high performance concretehasbetter resistance tomulti-im pact com pression w ith the increase of steel fiber volume dosage.Furthermore,w ith the increases in the number of impactcycles,ultra-high performance concretegoes through damage from cracking to failure,with the fracture feature of cracking instead of breaking.

sultra-high performance concrete;high-volume-fly-ash concrete;multi-impactcompression;dynamic mechanicalbehavior

TU528.572

A

1007-2373(2014)06-0043-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.0011

2014-06-21

國家自然科學(xué)基金（50908104）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK 2011835）

劉建忠（1976-），男（漢族），教授級(jí)高工，Email：ljz@cnjsjk.cn．