高強(qiáng)混凝土在沖擊荷載下的力學(xué)性能

劉俊良，許金余,2，任韋波

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場建筑工程系，西安　710038;2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安　710072)

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高強(qiáng)混凝土在沖擊荷載下的力學(xué)性能

劉俊良1，許金余1,2，任韋波1

(1.空軍工程大學(xué)機(jī)場建筑工程系，西安710038;2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710072)

隨著混凝土配比以及施工技術(shù)的改進(jìn)，高強(qiáng)混凝土得到廣泛使用，本文利用直徑100mm的分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同應(yīng)變率下高強(qiáng)混凝土的動態(tài)力學(xué)性能，并對其動壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量及破壞形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨應(yīng)變率增大，高強(qiáng)混凝土的動壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及破壞程度均呈上升趨勢，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，同時(shí)，彈性模量則未出現(xiàn)明顯變化趨勢。高強(qiáng)混凝土具有更大的動壓強(qiáng)度，但相對增幅下降，具有較小的率敏感性，現(xiàn)有CEB公式并不能有效擬合高強(qiáng)混凝土DIF值。同時(shí)，高強(qiáng)混凝土動彈性模量較大，峰值應(yīng)變較小，其變形能力降低。在破壞形態(tài)分析中，高強(qiáng)混凝土具有更多的細(xì)小碎粒，破壞程度更大。

SHPB； 高強(qiáng)混凝土； 率敏感性； 動態(tài)力學(xué)性能

1　引　言

混凝在現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用，而高強(qiáng)混凝土由于強(qiáng)度高、節(jié)省空間的巨大優(yōu)勢在工程中得到廣泛使用，然而針對高強(qiáng)混凝土的研究往往集中于收縮、徐變、彈性模量及耐久性等靜態(tài)力學(xué)性能[1-4]，而混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中難免因風(fēng)荷載、地震、爆炸等承受動荷載?；炷磷鳛橐环N應(yīng)變率敏感的材料，在沖擊荷載下勢必呈現(xiàn)出與靜荷載作用不同的力學(xué)性能。Atchley等[5]測試了強(qiáng)度為17.2MPa、25.5MPa和34.5MPa的混凝土的動力學(xué)性能，但混凝土強(qiáng)度較??；Bischoff等[6]分別對抗壓強(qiáng)度為30MPa和50MP的混凝土進(jìn)行了動態(tài)抗壓試驗(yàn)，但強(qiáng)度跨度較窄，且應(yīng)變率較低；Ross等[7]采用SHPB裝置立方體抗壓強(qiáng)度為16～50MPa的混凝土試件進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，但混凝土強(qiáng)度僅限50MPa以下。嚴(yán)少華等[8]針對靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為87MPa的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，但僅對其應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行了簡要分析；張扉[9]針對C80試件，進(jìn)行了動態(tài)壓縮試驗(yàn)，但應(yīng)變率同樣只有10-3～10-1s-1。

可以看出，針對高強(qiáng)混凝土動態(tài)力學(xué)性能的影響還存在一些不足，而隨著混凝土配比以及施工技術(shù)的改進(jìn)，高強(qiáng)混凝土得到廣泛使用，位于亞洲迪拜高達(dá)150層的迪拜塔則成功應(yīng)用80MPa高強(qiáng)混凝土構(gòu)建混凝土框架結(jié)構(gòu)，并顯著降低工程成本[10]。此外，高強(qiáng)混凝土在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用普遍，研究高強(qiáng)混凝土在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能，對于抗震設(shè)計(jì)、爆炸評估等都具有重要意義。

本文通過SHPB系統(tǒng)對C30、C80強(qiáng)度等級的混凝土試件進(jìn)行了沖擊測試，并對高強(qiáng)混凝土動壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量及破壞形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料與試件制備

原材料：(1)水泥：42.5R、52.5R級普通硅酸鹽水泥；(2)粉煤灰為韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的F類 級粉煤灰具體指標(biāo)見表1，試驗(yàn)所用粉煤灰經(jīng)檢驗(yàn)為395m2/kg；(3)硅灰為西安霖源微硅粉有限公司生產(chǎn)的微硅粉具體指標(biāo)見表2，其比表面積經(jīng)檢驗(yàn)為22m2/g；(4)石灰?guī)r碎石：密度2.70g/cm3，粒徑5～10mm；(5)中砂，密度2.63g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.78；(6)FDN高效減水劑：建寶新型建材有限公司生產(chǎn)的FDN高效減水劑，減水率20%；聚羧酸減水劑：陜西中易化工有限公司生產(chǎn)的ZY-PCA型聚羧酸高性能減水劑，減水率36%；(7)自來水?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1　粉煤灰主要指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

表3　混凝土配合比

利用上述原材料，按照表1中所列配合比，制備基體強(qiáng)度等級C30及C80的混凝土。具體制備過程為：制備混凝土拌合物，將混凝土拌合物分散、攪拌均勻后分別裝入立方體和長圓柱體鋼模，并利用振動臺和插入式振搗棒振搗成型；1d后拆模，移入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行為期28d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；而后將試件取出按SHPB試驗(yàn)要求對長圓柱體試件進(jìn)行切割、打磨。試件規(guī)格分兩種：即用于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150mm×150mm×150mm)和用于動態(tài)試驗(yàn)的短圓柱體試件(φ98mm×50mm)。

2.2試驗(yàn)方法

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用HYY型電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，加載速率0.5MPa/s。動態(tài)壓縮試驗(yàn)采用 100mmSHPB試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖1)，試件端部采用擦涂油脂進(jìn)行潤滑的方式以消除端部摩擦效應(yīng)；為增加脈沖的上升沿時(shí)間，使試件內(nèi)部應(yīng)力均勻，采用厚度1mm、直徑30～50mm的鋁質(zhì)圓片作為波形整形器[11]。根據(jù)一維應(yīng)力波傳播規(guī)律，可對試件應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)力應(yīng)變歷史進(jìn)行如下計(jì)算。

(1)

式中：AS、LS分別為試件的橫截面積及長度，C、E、A分別為壓桿的波速(m/s)、彈性模量(GPa)及橫截面積(mm2)，εI、εR、εT分別為測得的入射、反射和透射脈沖由超動態(tài)應(yīng)變儀和波形存儲器等進(jìn)行轉(zhuǎn)換記錄。

圖1　100 mm SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　100 mm diameter SHPB system

圖2　不同強(qiáng)度等級混凝土動壓強(qiáng)度與應(yīng)變率關(guān)系Fig.2　Relationships between dynamic compressive strength and strain rate for different grade concrete

3　結(jié)果與討論

3.1強(qiáng)度分析

C30、C80混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為34.7MPa和83.5MPa。圖2是試件的動壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，這里選用平均應(yīng)變率作為應(yīng)變率的代表值。試件動壓強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系可回歸如式2：

(2)

可以看出，兩組試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨應(yīng)變率增大而增大，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。這主要是由于混凝土在承受沖擊荷載時(shí)，內(nèi)部裂縫迅速開展，但由于加載速度過快，試件裂縫并未貫通水泥與骨料結(jié)合的過渡區(qū)，而是在基體或骨料中發(fā)展更多的裂縫形成破壞，因此，具有更高的強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)變率處于60s-1附近時(shí)，C30及C80混凝土強(qiáng)度提升比率分別為74.4%和42.1%。這表明了混凝土動壓強(qiáng)度提升比率隨其強(qiáng)度等級提升而下降。同時(shí)，C30及C80混凝土試件在應(yīng)變率60s-1相對20s-1時(shí)的強(qiáng)度增幅分別為31.6MPa和37.6MPa，表明混凝土在沖擊荷載下強(qiáng)度增幅隨強(qiáng)度等級提升而增大，但增大幅度減小。這是由于在沖擊荷載下，混凝土由過渡區(qū)開裂逐漸轉(zhuǎn)向骨料貫通開裂，而本文骨料均采用石灰石，因此不同強(qiáng)度等級的混凝土具有相近的強(qiáng)度增幅。

為進(jìn)一步分析不同等級混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)，對試件DIF進(jìn)行分析，DIF為試件動壓強(qiáng)度與靜壓強(qiáng)度之比，研究人員多采用DIF分析其應(yīng)變率效應(yīng)。CEB[12]指出試件抗壓強(qiáng)度越高，其DIF越大。下面是CEB給出的DIF計(jì)算公式。

(3)

圖3　CEB的DIF計(jì)算模型與不同強(qiáng)度等級混凝土試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3　Comparison between DIF model of CEB and experimental results for different strength concrete

圖3給出了不同強(qiáng)度等級混凝土的DIF隨應(yīng)變率的變化關(guān)系及結(jié)合CEB公式的擬合結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30時(shí)，CEB能較好的擬合試驗(yàn)結(jié)果，但混凝土等級提升到C80時(shí)，CEB給出的公式并不能對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效的擬合，且與試驗(yàn)明顯不符。CEB的公式于1990年提出，當(dāng)時(shí)高強(qiáng)混凝土并未普及并推廣，這是其規(guī)范能較好反映普通混凝土而對高強(qiáng)混凝土適用性的可能性原因。目前，高強(qiáng)混凝土在建筑的各個方面都有較為普遍的應(yīng)用，因此，需要對規(guī)范進(jìn)行相關(guān)修正，可收集大量高強(qiáng)混凝土工程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提出不同強(qiáng)度均能適用的公式。

3.2變形分析

峰值應(yīng)變即試件到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變，是表征試件沖擊變形特性及描述試件變形失穩(wěn)破壞的重要指標(biāo)。圖4為各組試件的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，式4給出了峰值應(yīng)變的回歸公式。

(4)

可以發(fā)現(xiàn)：(1)混凝土試件峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變率增大而增大，以C30為例，當(dāng)應(yīng)變率從20s-1增大到60s-1時(shí)，試件峰值應(yīng)變增幅較大達(dá)50.6%。這是由于混凝土在承受沖擊荷載時(shí)，在裂縫開展產(chǎn)生變形后由于加載過快使混凝土仍具有承受能力，因此具有較大的峰值應(yīng)變。(2)同一應(yīng)變率下，各等級強(qiáng)度混凝土峰值應(yīng)變的大小關(guān)系為C30>C80，在應(yīng)變率從20s-1到60s-1的過程中，C30峰值應(yīng)變增大了0.00411，而C80混凝土峰值應(yīng)變僅增大0.00217，且在擬合公式中C80混凝土具有較小的增長率。也就是說高強(qiáng)混凝土不僅峰值應(yīng)變較低，其率敏感性也較小。這種現(xiàn)象可結(jié)合混凝土中的空隙、孔隙的分布來進(jìn)行分析。Kumar等[13]在研究中給出了混凝土中孔隙率關(guān)于混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，混凝土強(qiáng)度越高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)。因此，在承受沖擊荷載時(shí)，低強(qiáng)度等級的混凝土內(nèi)部具有較多的孔隙導(dǎo)致了其具有較大幅度的變形空間，與之相反，高強(qiáng)等級混凝土變形空間就小，這導(dǎo)致高強(qiáng)度等級的混凝土在沖擊荷載下的峰值應(yīng)變具有較低的率敏感性。

圖4　不同強(qiáng)度等級混凝土峰值應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.4　Relationships between dynamic peak strain and strain rate for different grade concrete

圖5　不同強(qiáng)度等級動彈性模量與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.5　Relationships between dynamic elastic modulus strain and strain rate for different grade concrete

3.3彈性模量分析

彈性模量是描述混凝土彈性性能的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及破壞評估有重要意義。定義彈性模量Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分別代表0.6倍和0.4倍的峰值應(yīng)力，ε0.6和ε0.4代表相應(yīng)應(yīng)力下應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段對應(yīng)的應(yīng)變值。圖5是不同強(qiáng)度等級的混凝土試件動彈性模量隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，可以看出，隨應(yīng)變率增大，試件動彈性模量在一定范圍內(nèi)波動，并未出現(xiàn)明顯變化趨勢。這也表明混凝土動彈性模量不具有明顯的率敏感性。這是由于混凝土在初始加載階段并沒有產(chǎn)生明顯的微裂縫，試件的剛度并不會發(fā)生明顯的改變，因此試件在沖擊荷載下的彈性模量不會有明顯變化。關(guān)于混凝土材料動彈性模量率敏感性的研究向來存在爭議：本文得出的結(jié)論與Lok等[14]研究觀點(diǎn)相同，即混凝土動彈性模量不隨應(yīng)變率變化而變化。而Wang等[15]發(fā)現(xiàn)動彈性模量隨應(yīng)變率增大而增大，Su等[16]的研究則給出了動彈性模量隨應(yīng)變率增大而減小的結(jié)論。這可能由于在沖擊荷載下，不同試件微裂縫的開裂差異、不同部位的強(qiáng)度差異均會對其彈性模量造成顯著的影響，而試驗(yàn)條件的不同，測試手段等都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，這可能是不同學(xué)者對動彈性模量有所爭議的原因之一。再者，在本文中，將彈性模量定義為Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4)。這是由于，應(yīng)力應(yīng)變曲線初始階段穩(wěn)定性較差，得到的曲線離散性大，基于此，很多學(xué)者都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，Dhir等[17]及Zielinski等[18]采用割線模量對混凝土動態(tài)彈性模量進(jìn)行表征，Rostasy等[19]則采用初始切線模量進(jìn)行表征，但都存在一定爭議。Su等[16]則在文章中將動態(tài)彈性模量定義為：Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分別代表0.6倍和0.4倍的峰值應(yīng)力，ε0.6和ε0.4代表相應(yīng)應(yīng)力下應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段對應(yīng)的應(yīng)變值。這種定義方法即克服了采用初始切線模量時(shí)，混凝土動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線初始部分的不穩(wěn)定性，又克服了采用割線模量時(shí)，混凝土破壞時(shí)應(yīng)力應(yīng)變的較大離散，而選取的0.6倍和0.4倍的峰值應(yīng)力階段也是曲線的平穩(wěn)上升階段，此時(shí)混凝土的變形穩(wěn)定且與加載密切相關(guān)，較好的反映了混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變之間的變化關(guān)系，動彈性模量定義的不同也許是動彈性模量結(jié)果出現(xiàn)爭議的另一個原因。

圖5表明C80混凝土的動彈性模量明顯大于C30混凝土，這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級較低時(shí)，試件內(nèi)部存在較多孔隙，在初始加載階段，這些微孔隙會逐漸擠壓，因此產(chǎn)生較大的形變，因此其彈性模量也小，而強(qiáng)度等級較高的混凝土由于水灰比較小，因此水分流失殘留的微孔隙也小，這也使高強(qiáng)混凝土具有較大的彈性模量。

3.5沖擊破碎分析

試件的破碎形態(tài)和碎塊分布能較好的反映混凝土試件在承受沖擊荷載時(shí)的破壞程度。圖6是不同應(yīng)變率下GC試件的典型破壞形態(tài)，可以看出應(yīng)變率越大，試件破壞程度越嚴(yán)重，試件碎塊數(shù)目更多、尺寸等級也更小。(2)在較低應(yīng)變率下，試件主要呈軸向劈裂式破壞，碎塊形狀多為尺寸較大的條狀或塊狀，在較高應(yīng)變率下，試件主要呈壓碎式破壞，出現(xiàn)了大量的細(xì)粒、微粒碎屑；(3)高強(qiáng)混凝土破壞時(shí)產(chǎn)生的細(xì)粒更多，破壞程度也更大。

圖6　不同強(qiáng)度等級混凝土不同應(yīng)變率下的典型破壞形態(tài)Fig.6　Typical failure patterns of different grade concrete under different strain rates

4　結(jié)　論

(1)C30和C80混凝土的動壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及破壞程度均隨應(yīng)變率增大而增大，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，而彈性模量并未隨應(yīng)變率增大出現(xiàn)明顯的變化趨勢；

(2)高強(qiáng)混凝土具有更大的動壓強(qiáng)度，但相對增幅下降，具有較小的率敏感性，現(xiàn)有CEB公式并不能有效擬合高強(qiáng)混凝土DIF值；

(3)高強(qiáng)混凝土動彈性模量較大，峰值應(yīng)變較小，其變形能力下降；

(4)在混凝土沖擊破碎分析中，高強(qiáng)混凝土產(chǎn)生的細(xì)小碎粒更多，破壞程度越大。

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MechanicalPropertiesofHighStrengthConcreteunderImpactLoading

LIU Jun-liang1,XU Jin-yu1,2,REN Wei-bo1

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi'an710038,China;2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi'an710072,China)

Highstrengthconcretewerewidelyusedbythepromotedofmixproportionandconstructiontechnique.Theaimofthispaperistoinvestigatetheperformanceofhighstrengthconcreteunderimpactloading.A100mmsplitHopkinsonpressurebarsystemwasemployedtodeterminethedynamicmechanicalpropertiesofhighstrengthconcrete.Thedynamicstrength,peakstrain,elasticmodulusandfragmentationwereincluded.Theresultsindicatethattheeffectsofstrainrateondynamiccompressivestrength,peakstrain,areobvious,butdynamicelasticmodulusdoesn'tshowobvioustendasstrainrateincrease.Highstrengthconcreteleadsanhigherdynamiccompressivestrengthbutareductioningradient,formulaofCEBcan'treflecttherealchangeruleofdynamicincreasefactor(DIF)ofhighstrengthconcrete.Additionally,highstrengthconcreteshowsahigherdynamicelasticmodulusbutareductioninpeakstrainanddeformability,respectively.Inanalysisoffailurepatternofspecimen,concretewithhighergradeexistlargerfragmentsinsmalldiameterwhichindicateahigherdegreeofdamage.

SHPB;highstrengthconcrete;ratesensitivity;dynamicmechanicalproperty

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378497，51208507)

劉俊良(1992-)，男，博士研究生.主要從事混凝土應(yīng)用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0261-06