鋼纖維增強混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗研究方法和進展

何文昌 黃敏聰 韋時華 杜 曲 趙 丹

（湛江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣東 湛江 524094）

0 引言

鋼纖維增強混凝土是在混凝土中摻入一定比例二維或三維亂向分布的鋼纖維而得到的新型復(fù)合材料[1]。鋼纖維可以抑制混凝土基體裂縫的發(fā)生和阻礙裂縫的擴展，從而提高混凝土的抗拉強度和韌性。此外，混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中會難免遭受各種偶發(fā)性的沖擊荷載，這會對混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用壽命和使用功能造成嚴重影響，研究并認識動態(tài)荷載作用下鋼纖維混凝土的力學(xué)性能顯得尤為重要[2]。為此，文中重點對國內(nèi)外已有鋼纖維混凝土的落錘沖擊、擺錘沖擊、SHPB沖擊壓縮、高速彈射侵徹和抗爆沖擊的力學(xué)性能研究進行梳理總結(jié)，并提出今后研究方向的建議，以期為鋼纖維混凝土材料的研究及其工程實踐應(yīng)用提供參考。

1 鋼纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗研究方法

1.1 高應(yīng)變率沖擊試驗研究方法

1.1.1 SHPB沖擊試驗

1949年，Kolsky對霍普金森壓桿技術(shù)進行改進，提出分離式霍普金森壓桿技術(shù)（SHPB）[3]，并逐漸發(fā)展成測試陶瓷、巖石和混凝土等材料在高應(yīng)變率載荷下力學(xué)性能研究的重要試驗工具。SHPB試驗技術(shù)分析基于兩個假設(shè)：（a）一維應(yīng)力波傳播假定；（b）試件的應(yīng)力（應(yīng)變）均勻性假定。在此假定條件下，試件的應(yīng)變ε(t)和應(yīng)變率σ(t)分別表示為[4]：

式中：

E、A和C0——分別為入射桿的彈性模量、截面面積和波速；

L和As——分別為試件的長度和截面面積。

1.1.2 高速彈射侵徹

彈射侵徹試驗主要是利用子彈高速射擊被測材料靶體，研究彈丸對靶體的侵徹和穿透損傷行為。一般采用光測或電測技術(shù)測試彈體速度，使用高速攝影儀拍攝彈道軌跡及彈體著靶的角度。最后，通過分析測量靶體侵徹深度、裂縫數(shù)量與發(fā)展情況、彈體的破壞情況和貫穿剩余速度等參數(shù)作為被測材料抗沖擊性能的評價指標。

1.1.3 爆炸沖擊試驗

爆炸沖擊試驗一般選用TNT炸藥在離試件一定距離處引爆產(chǎn)生沖擊波并撞擊試件；通過安裝在試件各測試點上的壓力傳感器、應(yīng)變傳感器和加速度傳感器測量爆炸沖擊荷載作用下的試驗數(shù)據(jù)；最后，分析試件的變形情況、損傷程度，并采用專業(yè)分析軟件處理試驗數(shù)據(jù)得到壓力時程曲線以及相應(yīng)的加速度時程曲線。

1.2 低應(yīng)變率沖擊試驗研究方法

1.2.1 落錘沖擊試驗

美國混凝土協(xié)會ACI544[5]推薦，采用尺寸為Ф152mm×63.5mm的圓餅狀試件，將4.54kg的鋼錘從沖擊高程為457mm處作自由落體運動，反復(fù)沖擊傳力鋼球產(chǎn)生沖擊能推動試件發(fā)生變形；記錄試件初裂和破壞時的抗沖擊次數(shù)作為評定抗沖擊強度的主要標準。隨著試驗準確性的要求提高，學(xué)者們還借助信號采集系統(tǒng)和高速攝像機記錄沖擊過程的動態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2.2 擺錘沖擊試驗

擺錘式?jīng)_擊試驗法與落錘沖擊試驗原理相似，主要是先將擺錘提升至一定高度，使其具有一定的勢能，然后釋放擺錘將帶有U或V型缺口的試件一次沖斷，并記錄擺錘沖斷試件停止時的勢能；根據(jù)機械能守恒的原理，分析試件破壞前、后擺錘勢能的變化量，即為材料在沖擊斷裂過程中的耗能。

2 鋼纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究進展

2.1 鋼纖維混凝土的落錘和擺錘沖擊試驗研究

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要是參照ACI544推薦的落錘沖擊試驗方法，采用自行設(shè)計的落錘沖擊裝置進行鋼纖維混凝土抗沖擊試驗[6-7]。潘慧敏和馬云朝[2]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入顯著提高了混凝土的抗沖擊性能；當鋼纖維摻量為1.0%時，混凝土的韌性系數(shù)達到最大值。Nataraja[8]研究表明，鋼纖維混凝土開裂后抗裂性的百分比增加約為50%；并提出混凝土抗沖擊性能結(jié)果的離散較大，應(yīng)增加樣本量以保證試驗的準確。王海濤和王立成[7]研究發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維能顯著提高高強輕骨料混凝土的彎曲韌性和抗沖擊性能，且鋼纖維高強輕骨料混凝土的抗沖擊能量與按JCI-SF4標準計算的韌性指數(shù)（EFT）呈對數(shù)關(guān)系：

式中：E1和E10——分別為鋼纖維高強輕骨料混凝土和素混凝土試件的抗沖擊能量。

此外，根據(jù)復(fù)合材料理論[9-10]，混雜纖維可以克服摻單一纖維的不足，不同纖維之間取長補短，發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”，達到1+1＞2的增強效果。近年來，利用鋼纖維與其它纖維或者增強材料混合提高混凝土的抗沖擊性能已越來越受到研究人員的關(guān)注。Nili和Afroughsabet[11]通過對混摻硅粉與鋼纖維混凝土的抗沖擊性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)混合摻入鋼纖維與硅粉比單摻硅粉或鋼纖維更能提高試件的沖擊指數(shù)?？紫榍鍒F隊[4]研究發(fā)現(xiàn)，混合摻入1.5%鋼纖維和0.9%聚丙烯纖維試件的抗沖擊性能最好，初始和失效裂紋的沖擊次數(shù)較素混凝土分別提高了3.7倍和59.5倍，同時發(fā)現(xiàn)試件的抗沖擊次數(shù)服從于兩參數(shù)Weibull分布。相似的，Ali等發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇和鎳鈦形狀記憶合金混雜纖維水泥基的抗沖擊實驗結(jié)果服從于Weibull分布函數(shù)的分布規(guī)律。王璞等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同幾何形狀及尺寸的多層次纖維與混凝土復(fù)合材料多相、多層次的結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)，利于提高混凝土的抗沖擊性能。

近年來國內(nèi)外研究人員配合使用負荷傳感器得到?jīng)_擊的應(yīng)力-時程曲線或者采用高速攝像機來捕捉試件的破壞情況獲得更加精確數(shù)據(jù)。但是，試驗采用的試件尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊高程等還未統(tǒng)一，難以直接比較不同材料的抗沖擊性能[12]。

2.2 鋼纖維混凝土的SHPB沖擊試驗研究

經(jīng)過不斷地改進和發(fā)展，SHPB試驗設(shè)備已成為測試混凝土材料高應(yīng)變率下動態(tài)性能的常用裝置。黃偉等[13]通過對早齡期補償收縮鋼纖維混凝土的SHPB劈裂抗拉試驗，發(fā)現(xiàn)該試件與普通混凝土試樣整體破壞特征相似；但在應(yīng)變率相近情況下，其劈裂抗拉強度比普通混凝土增加了18.3%，且具有較完整的破壞形態(tài)。Hao和Hao[14]研究發(fā)現(xiàn)，在高應(yīng)變率下混凝土的能量吸收能力隨鋼纖維摻量的增多得到不同程度的增強；他們還推導(dǎo)了楊氏模量和動態(tài)抗壓強度的動態(tài)增強因子（Dynamic increase factor，DIF）關(guān)系。此外，Li等[15]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維自密實混凝土的DIF與應(yīng)變率的對數(shù)之間呈線性關(guān)系；且鋼纖維自密實混凝土比鋼纖維普通混凝土更高的DIF，表現(xiàn)出更顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。

隨著大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快和建設(shè)水平的提高，鋼纖維高強混凝土的動態(tài)力學(xué)性能也受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。Jiao和Sun[16]利用SHPB試驗裝置對鋼纖維摻量為0%，3%和4%的超高性能混凝土進行抗沖擊性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土的應(yīng)變率敏感性閾值約為50s-1。巫緒濤等[17]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維對混凝土的增強效果突出體現(xiàn)在低速加載情況中，且隨應(yīng)變率的增加，增強效果減弱；混凝土的峰值應(yīng)變隨鋼纖維含量的增加而增加，但纖維含量對混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段影響較小，而對下降段影響較大。李季等[18]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變率越高，鋼管鋼纖維高強混凝土試件的動態(tài)抗壓強度越大；鋼管鋼纖維高強混凝土比鋼纖維高強混凝土的抗沖擊壓縮性能更好，且具備承受多次沖擊壓縮作用的能力。

綜上可見，通過SHPB裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在高應(yīng)變率條件下鋼纖維混凝土材料動態(tài)沖擊壓縮和拉伸性能研究。但是結(jié)構(gòu)服役過程中除了承受沖擊荷載，通常遭受多種環(huán)境因素的疊加作用，目前開展更符合真實環(huán)境的鋼纖維混凝土SHPB試驗的研究較少。因此，鋼纖維混凝土材料在高應(yīng)變率與高溫、凍融以及鹽堿腐蝕等影響因素耦合作用下的動態(tài)性能尚待深入研究；同時，探究考慮相應(yīng)影響因素耦合作用下的損傷機理及建立本構(gòu)模型。

2.3 鋼纖維混凝土的彈丸侵徹和抗爆試驗研究

在爆炸和射彈等高能量密度條件下，混凝土的動態(tài)響應(yīng)過程是瞬態(tài)動力學(xué)問題[19]。針對鋼纖維混凝土的抗侵徹試驗研究過程中，胡秀章[20]等通過分析摻量分別為0、3%和6%的鋼纖維混凝土靶板的抗侵徹性能，發(fā)現(xiàn)隨纖維摻量的增多，桿彈的速度消耗加大，靶板的吸能增加，靶板的破壞程度降低。Luo等對高性能鋼纖維混凝土靶板進行抗侵徹試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)素混凝土靶板出現(xiàn)粉碎破壞，鋼纖維混凝土靶板保持完好；并建立了靶板侵徹深度與彈丸無量綱速度之間的關(guān)系[21]。王德榮等[22]通過對鋼纖維超高強活性混凝土抗侵徹計算方法研究，指出侵徹的深度主要由彈體的質(zhì)量、形狀、速度及靶體的強度、密度、斷裂韌度、變形波速決定，并推導(dǎo)出可以推廣到不同介質(zhì)的侵徹深度，得計算公式：

式中：

h——侵徹深度；

λ1、λ2——分別為彈形系數(shù)和彈體比例換算系數(shù)；

Kq——侵徹系數(shù)；

v——彈體著靶速度。

此外，Algasse等研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維可以替代橫向鋼筋抑制高強度混凝土梁爆炸引起的剪切破壞；提出使用單自由度分析并結(jié)合非線性阻力函數(shù)，可以很好地預(yù)測鋼纖維高強度混凝土梁的爆炸響應(yīng)。焦楚杰[23]等對鋼纖維摻量為0～3%、強度等級為C100的高強混凝土板進行爆炸試驗，結(jié)果表明爆炸應(yīng)力波的衰減幅度受混凝土強度等級、纖維摻量的影響不大，但是試件背爆面的加速度峰值和迎爆面破壞程度則隨著纖維摻量的增多而降低。

綜上可見，摻入鋼纖維可以提高在彈丸侵徹和爆炸荷載作用下混凝土的吸能、耗能和抵御變形的能力，降低混凝土損傷區(qū)的擴損傷程度。然而，由于抗爆性能研究的實際條件苛刻，試驗?zāi)Ｐ屯ǔＪ墙?jīng)過縮尺、簡化或近似處理的，為符合實際情況仍需進行大量試驗和反復(fù)驗證[24]；此外，針對鋼纖維混凝土在高應(yīng)變率下鋼纖維的增強機理的研究還不夠充分。

3 結(jié)束語

對鋼纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能的研究已引起廣泛關(guān)注，但以下問題有待深入研究：

（1）關(guān)于低速率沖擊性能的研究缺乏系統(tǒng)性，如：不同的試件尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊高程對試驗結(jié)果的影響不一，導(dǎo)致研究成果不能很好地對比分析材料的增強效果。

（2）混凝土屬于非均質(zhì)的材料，其強度是離散的；隨機現(xiàn)象難以用單一的模式來描述，除了采用Weibull分布函數(shù)，采用其它數(shù)學(xué)方法分析鋼纖維混凝土變量間的關(guān)系有待探索。

（3）不同的環(huán)境因素與沖擊荷載耦合作用下鋼纖維混凝土及其構(gòu)件的動態(tài)力學(xué)性能研究，即對更符合真實環(huán)境的抗沖擊性能研究較少。

（4）高應(yīng)變率的試驗條件較為苛刻，采用接近實際情況的常規(guī)比例試件進行研究較少，合理的代表尺度及相關(guān)沖擊參數(shù)還需要更加深入地探討。