HFR—LWC抗沖爆炸性能研究進(jìn)展

周子欣 郭志昆 陳萬祥 羅立勝

摘 要：混雜纖維輕骨料混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete，HFR-LWC）具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保等優(yōu)點，在超高和大跨度結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。本文綜述了國內(nèi)外HFR-LWC的應(yīng)用情況，從混雜效應(yīng)、纖維長徑比、纖維體積摻量、纖維形狀及長度等方面總結(jié)了HFR-LWC靜動態(tài)力學(xué)性能的主要影響因素，介紹了HFR-LWC抗沖擊爆炸性能研究現(xiàn)狀，指出了混雜效應(yīng)的研究大多停留在定性研究上，HFR-LWC的力學(xué)性能與最優(yōu)長徑比、最優(yōu)體積摻量之間的關(guān)系還不明確，HFR-LWC梁構(gòu)件的抗爆試驗甚少，HFR-LWC的結(jié)構(gòu)抗爆作用機(jī)理分析缺乏試驗依據(jù)等問題。

關(guān)鍵詞：爆炸 沖擊 混雜纖維 輕骨料混凝土 研究進(jìn)展

中圖分類號：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0084-04

隨著現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)朝高聳、大跨、重載的方向發(fā)展，以及建造各種新型特種結(jié)構(gòu)需求的增加，普通混凝土比強(qiáng)度低的缺點日益明顯[1]。為了突破常規(guī)混凝土的比強(qiáng)度極限，工程界許多學(xué)者致力于改善混凝土性能，并開發(fā)了一種高強(qiáng)、超輕、環(huán)保的輕骨料混凝土[2]。輕骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LWC）是指用膠凝材料、輕粗細(xì)骨料或普通砂和水配制成的干表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土[3]。

為提高混凝土的延性，工程上通常摻入各種纖維材料。纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，F(xiàn)RC）即纖維增強(qiáng)混凝土，由于具有良好的抗裂性和韌性，在工程中被廣泛采用。目前對鋼纖維混凝土[4]、聚丙烯纖維混凝土[5]和玄武巖纖維混凝土[6]的研究較為深入，而混雜纖維混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete，HFRC）是指在混凝土中同時摻入兩種或者多種纖維，既能發(fā)揮高彈模纖維對強(qiáng)度的提高效果，又能發(fā)揮低彈模纖維的增韌作用，使各種纖維的優(yōu)勢互補(bǔ)、性能超疊加而成的一種新型混凝土，目前已成為專家學(xué)者研究的熱點[7]。

本文概括了LWC的發(fā)展應(yīng)用、HFR-LWC靜動態(tài)力學(xué)性能、HFR-LWC抗沖擊爆炸性能3個方面的研究進(jìn)展，總結(jié)了現(xiàn)有研究存在的不足，展望了未來的發(fā)展趨勢。

1 LWC的發(fā)展及其應(yīng)用

自從1918年美國的S.J.Hayde發(fā)明采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)黏土陶粒以來，人造輕骨料技術(shù)得到了很大的進(jìn)步，從而出現(xiàn)并推動了LWC的研究與應(yīng)用，其技術(shù)也一直處于世界領(lǐng)先地位。LWC具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫性好、耐火性能好、抗震性能好、耐久性好等優(yōu)點，在高層建筑、大跨度橋梁、海洋平臺等工程中被廣泛采用。目前美國有800多座橋梁的修建都用到了LWC，如加州Benicia-Martinez大橋，使用的LC45級高強(qiáng)LWC，可滿足1000年到2000年一遇的抗震設(shè)防要求。20世紀(jì)80年代末90年代初，我國高強(qiáng)陶粒、高強(qiáng)度陶?；炷恋膯柺溃瑯?biāo)志著我國LWC的研究、應(yīng)用進(jìn)入到了一個全新的飛速發(fā)展時期。

然而，隨著混凝土強(qiáng)度提高，其脆性趨于明顯，這在LWC中尤為突出。而利用各種纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土的研究已有30多年的歷史，早在20世紀(jì)80年代初，英國Sheffield大學(xué)率先進(jìn)行了鋼纖維LWC的抗沖擊性能試驗研究。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對纖維增強(qiáng)LWC的力學(xué)性能、抗裂性能、抗凍性能及耐腐蝕性能進(jìn)行了一系列研究，取得了大量有價值的研究結(jié)論。在國外，2003年澳大利亞New South Wales大學(xué)的O. Kayali等人對聚丙烯纖維和鋼纖維增強(qiáng)LWC的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維含量為1.7%時，高強(qiáng)LWC的抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度提高接近1倍，但對抗壓強(qiáng)度無明顯影響；當(dāng)聚丙烯纖維含量為0.56%時，LWC的抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度分別提高90%和20%，而聚丙烯纖維含量對抗壓強(qiáng)度同樣無明顯影響。在國內(nèi)，2002年香港大學(xué)的R. V. Balendran等人研究了鋼纖維對高強(qiáng)LWC強(qiáng)度和延性的影響，發(fā)現(xiàn)同樣類型和體積率的鋼纖維對高強(qiáng)LWC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的改善要優(yōu)于高強(qiáng)混凝土。綜上所述，國內(nèi)外對纖維LWC在靜力荷載作用下的力學(xué)性能已開展了大量的研究，纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，但能顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性。

2 HFR-LWC的靜動態(tài)力學(xué)性能研究

2.1 混雜效應(yīng)

國內(nèi)外許多學(xué)者對HFRC進(jìn)行了大量研究，并提出了“混雜效應(yīng)”“混雜系數(shù)”等概念，對定量評價混雜纖維的增強(qiáng)效果具有重要指導(dǎo)意義。為探索混雜纖維對LWC的增韌效果，近年，來國內(nèi)部分學(xué)者對其開展了研究。蔣思晨等人研究了碳纖維-聚丙烯纖維混雜配置的LWC的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維與聚丙烯纖維在不同摻量以及不同幾何尺寸下混雜，可以產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)?；艨》嫉热诉x用鋼纖維、聚丙烯纖維及二元混雜纖維LWC，系統(tǒng)研究了其基本力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LWC力學(xué)性能受不同纖維種類、纖維摻量以及纖維混雜配合比的影響較為明顯，當(dāng)鋼纖維體積率1.0%與聚丙烯纖維0.6kg/m3混雜時，纖維輕骨料混凝土的各項力學(xué)性能得到優(yōu)化。趙鵬飛等人研究了鋼纖維-合成纖維混雜對LWC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗?jié)B性能的影響，結(jié)果表明，兩種纖維混雜后，LWC抗壓強(qiáng)度明顯降低，出現(xiàn)了“負(fù)混雜效應(yīng)”。王璞等人自行設(shè)計了混凝土落錘彎曲沖擊試驗裝置，進(jìn)行了不同幾何尺寸的碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊試驗研究，結(jié)果表明碳纖維混凝土在沖擊荷載下的正混雜效應(yīng)較為明顯。

2.2 纖維長徑比

纖維的長徑比是影響HFRC抗沖擊性能的一個重要因素。表1給出了相關(guān)研究者進(jìn)行抗沖擊試驗中的纖維參數(shù)。從表中可以看出，由于鋼纖維的直徑較大，鋼纖維的長徑比遠(yuǎn)小于其他纖維，抗拉強(qiáng)度較小，彈模較大。玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維均屬于低彈模纖維，長徑比最高可達(dá)到1000左右。

華淵等人認(rèn)為混雜纖維的長徑比對HFRC的抗壓強(qiáng)度無明顯影響，但對抗彎性能有很大的影響。試驗數(shù)據(jù)表明，C-P HFRC中碳纖維的合理長徑比為500～700，聚丙烯纖維的長徑比不宜超過1000；而聚乙烯醇纖維的長徑比則不宜超過1100。蔣思晨也得出了類似結(jié)論：碳纖維的最優(yōu)長徑比為600，聚丙烯纖維的最優(yōu)長徑比為900。周夢婷認(rèn)為，鋼纖維的增強(qiáng)作用與長徑比成正相關(guān)，但長徑比過大時，纖維過于細(xì)長，易卷曲抱團(tuán)，故長徑比一般控制在30～100。由此可見，HFRC的抗沖擊性能與最優(yōu)長徑比之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

2.3 纖維體積摻量

纖維的體積摻量不僅影響到HFR-LWC構(gòu)件的靜動態(tài)力學(xué)性能，也關(guān)乎工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。為得到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的纖維體積摻量，許多專家學(xué)者進(jìn)行了一系列試驗研究。

李曉軍等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在C30～C90混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)，為保證振搗和攪拌過程中鋼纖維分布的隨機(jī)性和均勻性，鋼纖維摻量宜在3%以下。王海濤等人研究了纖維摻量不同（體積率分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的鋼纖維LWC靜態(tài)力學(xué)性能和自由落錘抗沖擊性能。結(jié)果表明，摻入鋼纖維能較大程度提高LWC的拉壓比、彎曲韌性和抗沖擊性能，改善LWC的脆性，但對LWC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響較小。牛建剛等人以素LC30輕骨料混凝土為基準(zhǔn)，研究了塑鋼纖維摻量變化（5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3）對LWC靜態(tài)力學(xué)性能及抗沖擊性能的影響，試驗得出了與相關(guān)研究相同的結(jié)論。綜合試驗結(jié)果給出塑鋼纖維用于LWC的最優(yōu)摻量為9kg/m3。張超等人將聚丙烯纖維和聚酯纖維摻入混凝土中，控制聚酯纖維的摻量和長度不變，通過沖擊試驗研究不同摻量和長度的聚丙烯纖維混凝土對雙摻纖維混凝土抗沖擊性能的影響，試驗結(jié)果表明：加入的聚丙烯纖維在0.6～1.2kg/m3存在一個最佳摻量。

由以上研究成果表明：隨著纖維摻量的提高，材料的抗沖擊性能并不會一直提高，而是存在一個最優(yōu)摻量，使得抗沖擊性能最好。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，鋼纖維摻量應(yīng)控制在3%以內(nèi)，但對于其他纖維的最優(yōu)摻量研究還有待進(jìn)一步深化。

2.4 纖維的形狀與長度

在大多數(shù)實際應(yīng)用中，鋼纖維的形狀普遍采用的都是平直型或是鉤尾型。有相關(guān)研究指出在低應(yīng)變率情況下尚能滿足結(jié)構(gòu)要求，而對于一些重點防護(hù)工程來說，在高應(yīng)變率的情況下，鋼纖維會發(fā)生與混凝土基體相脫離的情況，難以滿足設(shè)計要求。郝逸飛等人從鋼纖維在混凝土中的二維、三維黏結(jié)原理差異入手，分析了鋼纖維混凝土構(gòu)件在高速沖擊下與基體的脫離機(jī)理，提出并設(shè)計了一種新型的螺旋鋼纖維材料（如圖1所示），并將其與鉤尾型鋼纖維進(jìn)行對比，開展了分離式霍普金森桿（SHPB）和落錘試驗研究。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼纖維相比，螺旋鋼纖維能夠有效提供三維黏結(jié)力，可減少高應(yīng)變率下鋼纖維與混凝土基體脫離的情況，證明螺旋鋼纖維比鉤尾鋼纖維提供更好地對混凝土基體的黏結(jié)加固作用，對增強(qiáng)混凝土延性、裂紋可控性及吸能耗能有著顯著優(yōu)勢。

纖維長度對抗沖擊性能也有很大影響。王曉光等人進(jìn)行了分別摻加4種不同纖維及無纖維高韌性肋形混凝土模板抗沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，對于鋼纖維，由于長纖維與混凝土黏結(jié)面更大，受力更充分，約束混凝土基體范圍更廣，當(dāng)試件受力出現(xiàn)裂縫時可以有效地限制纖維拔出的能力，從而需消耗更多的能量，故在一定范圍內(nèi)的同種纖維，長鋼纖維比短鋼纖維抗沖擊能力強(qiáng)。而對于聚丙烯纖維和玄武巖纖維，其結(jié)論則有相反之處。張超等人指出，在聚丙烯纖維摻量一定的情況下，在試驗中選用的6mm、9mm、12mm的長度中，所加入的聚丙烯纖維長度越短，其抗沖擊性能越強(qiáng)。于泳等人采用直徑15μm的兩種長度（6mm、18mm）的玄武巖纖維，制成不同體積摻量（0%，0. 4%，0.6%和0.8%）的玄武巖纖維混凝土，采用7組共84個U形試件及自制的落錘沖擊裝置進(jìn)行抗沖擊試驗，結(jié)果表明：玄武巖纖維能夠提高混凝土的抗沖擊性能，且在相同的玄武巖纖維摻量的條件下，6mm短纖維對混凝土的抗沖擊性能的改善作用優(yōu)于18mm長纖維。

3 HFR-LWC抗沖擊爆炸性能研究

關(guān)于HFR-LWC構(gòu)件的抗沖擊性能的研究尚處于初步階段。國外有關(guān)混凝土構(gòu)件抗爆性能的試驗資料大多是保密的，很難得到公開發(fā)表的試驗數(shù)據(jù)，而國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)受試驗條件制約，部分單位只進(jìn)行了普通纖維混凝土的抗爆試驗。嚴(yán)少華等人采用大尺寸霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）試驗裝置，對聚丙烯短纖維增強(qiáng)LWC進(jìn)行了沖擊試驗，得到了60～110s-1應(yīng)變速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和破壞現(xiàn)象。王丹等人研究了塑鋼混雜纖維LWC在分離式SHPB裝置下的不同加載方式和不同應(yīng)變率的動態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果表明：塑鋼混雜纖維LWC的應(yīng)變率效應(yīng)非常明顯，動強(qiáng)度和峰值應(yīng)變均與應(yīng)變率成正相關(guān)。吳平安等人研究了高強(qiáng)高性能HFR-LWC的沖擊動力性能，進(jìn)行了SHPB沖擊試驗，得到了其受一次、多次沖擊后的破壞現(xiàn)象和受力特點，分析了應(yīng)變率對其力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，HFR-LWC對應(yīng)變率效應(yīng)的敏感程度比普通混凝土的要高，在高應(yīng)變率時其動力力學(xué)性能得到明顯改善，適合將其用于抗爆炸、沖擊材料。廣西大學(xué)周夢婷等人對13組不同纖維摻量的混雜纖維混凝土板進(jìn)行了爆炸荷載試驗，研究了纖維摻量變化對混凝土抗爆性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：相對于聚乙烯醇纖維，玄武巖纖維與鋼纖維混雜時可發(fā)揮出更明顯的抗爆性能優(yōu)勢?？倕⒐こ瘫谒脑O(shè)計研究院胡金生等人針對3種分別加入鋼纖維、聚丙烯纖維和鋼筋的混凝土板進(jìn)行了接觸爆炸試驗，分析得到了3種材料的抗爆性能系數(shù)。試驗結(jié)果表明，鋼纖維提高混凝土抗爆的能力最強(qiáng)，在聚丙烯纖維混凝土中加入鋼纖維或鋼絲網(wǎng)等高彈模材料，是一個提高其抗爆炸沖擊性能的可行措施。天津大學(xué)徐慎春等人通過6根圓形中空夾層鋼管超高性能鋼纖維混凝土柱爆炸破壞實驗，研究了折合距離、空心率和迎爆面形狀對其動態(tài)響應(yīng)及損傷破壞的影響。

上述研究單位開展的纖維混凝土構(gòu)件抗爆試驗，為HFR-LWC抗爆性能的深入研究打下了良好的基礎(chǔ)。目前對于HFRC的抗爆試驗研究較為豐富，但對于HFR-LWC抗爆試驗的研究資料甚少，而LWC材料組分和基本力學(xué)性能與普通混凝土有較大區(qū)別，LWC構(gòu)件的抗爆變形及耗能機(jī)理尚不清楚，對于HFR-LWC梁構(gòu)件抗爆性能試驗研究更是無人問津，無法檢驗現(xiàn)有理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，因此通過試驗方法深入研究其動力性能對工程應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)語

綜上所述，目前國內(nèi)外對LWC及HFR-LWC靜力力學(xué)性能的研究相當(dāng)充分，少量文獻(xiàn)涉及其抗沖擊性能，但對HFR-LWC構(gòu)件抗爆性能及其加固技術(shù)的研究成果甚少，存在許多關(guān)鍵科學(xué)問題有待系統(tǒng)深入研究：（1）“混雜效應(yīng)”是混凝土材料在靜載作用下提出的，高頻爆炸荷載作用下混雜纖維的增強(qiáng)增韌機(jī)理尚不清楚，大多停留在定性研究上，利用“混雜系數(shù)”來定量描述HFR-LWC的研究還較少。存在最優(yōu)長徑比和最優(yōu)體積摻量，使得HFR-LWC的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，但其力學(xué)性能與最優(yōu)長徑比、最優(yōu)體積摻量之間的關(guān)系還需進(jìn)一步探索研究。（2）目前HFR-LWC抗爆性能的研究主要集中在板、柱等構(gòu)件方面，對于HFR-LWC梁構(gòu)件抗爆性能試驗研究更是無人問津，無法檢驗現(xiàn)有理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。（3）作為一種新型高性能混凝土材料，HFR-LWC結(jié)構(gòu)抗爆作用機(jī)理分析缺乏試驗依據(jù)，HFR-LWC尚無相應(yīng)的抗爆設(shè)計計算方法、加固依據(jù)和損傷破壞評估方法，工程上直接套用普通FRC構(gòu)件設(shè)計計算理論會導(dǎo)致結(jié)果缺乏科學(xué)性與可信度。

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