多次冲击压缩作用下大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的动态力学行为

刘建忠，孙伟，刘加平，石亮，吕进，李长风

（1.江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210008；2.东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189）

多次冲击压缩作用下大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的动态力学行为

刘建忠1，2，孙伟2，刘加平1，2，石亮1，吕进1，李长风1

（1.江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210008；2.东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189）

采用分离式Hopkinson杆，系统研究了4种不同钢纤维体积掺量（分别为0%，1.0%，1.5%和2.0%）的大掺量粉煤灰超高性能混凝土在多次冲击压缩作用下的动态力学行为和材料损伤劣化的全过程．结果表明：在多次冲击压缩荷载作用下，随着钢纤维的掺入及掺量的增加，超高性能混凝土抗动态破坏作用的能力明显增强；随着冲击次数的增加，超高性能钢纤维混凝土的损伤不断累积直至最后失效，呈现出裂而不散的破坏特征．

超高性能混凝土；大掺量粉煤灰混凝土；多次冲击压缩；动态力学行为

我国的重要军事政治经济目标、民用建筑可能遭到高技术武器精确打击、恐怖爆炸袭击和偶然性撞击或爆炸的破坏作用．这不仅对工程结构造成弯曲、剪切变形甚至倒塌等整体破坏，还会造成侵彻、贯穿、震塌等严重的局部破坏．迫切需要研发抗强动载作用的超高性能混凝土材料，以满足我国国防工程和重要民用工程安全防护的重大战略需求[1-3]．

对于超高性能混凝土动态力学性能的研究得到了广泛的关注，主要采用Hopkinson压杆装置，研究了C100钢纤维高强混凝土的冲击压缩、冲击拉伸性能[4-5]，并提出了纤维-基体界面粘结、纤维掺量是提高混凝土抗冲击性能的关键因素，但未对多次冲击作用下的动态力学性能进行研究．笔者采用常规材料和工艺，研制出了粉煤灰掺量达50%的大掺量粉煤灰超高性能钢纤维增强混凝土，并研究了静、动态力学行为，超高性能钢纤维混凝土表现出优异的抗冲击破坏能力[6-7]．

考虑到国防防护工程材料和结构在实战中往往经受敌方武器的二次和多次攻击，本文在已有研究基础上，采用分离式Hopkinson杆，系统研究了4种不同钢纤维体积掺量（分别为0%，1.0%，1.5%和2.0%）的大掺量粉煤灰超高性能混凝土在多次冲击压缩作用下的动态力学行为，明晰防护工程用超高性能混凝土在二次和多次冲击下结构承载能力变化和材料损伤劣化的全过程，为防护工程结构的设计提供依据．

1 试验

试验用原材料的基本性能，试验用混凝土配合比，混凝土搅拌与试件成型、加工，以及冲击压缩试验方法见文献[7]．试件的损伤测试与表征方法如下．

采用非金属超声波检测仪测试了试件在冲击前后声时的变化，以评价混凝土材料的损伤程度．超声波分析仪的基本参数为：发射频率50 kHz，最小声时0.1s；检测试件长度40mm．在测试过程中，先将混凝土试件表面的水擦干，然后在试件两端涂上耦合剂，超声波探头与混凝土试件耦合好后，采集并记录数据．

混凝土材料的动弹性模量与声速和声时之间存在如下关系：

其中：Ed为动弹性模量；V为声速（m/s）；为试件密度（kg/m3）；为泊松比；t为声时（s）；L为试件长度（m）．

对于同一材料，在试验过程中其密度、泊松比可以认为是定值，则相对动弹性模量可按下式计算：

其中：P为经过n次冲击后试件的相对动弹性模量，以6次测试结果的平均值计算（%）；Ed,n为n次冲击后试件的动弹性模量；Ed,0为试件的初始动弹性模量；tn为n次冲击后试件的声时（s）；t0为试件的初始声时（s）．

同时，根据损伤力学的原理，冲击压缩后混凝土试件的损伤变量D为：

2 试验结果与分析

2.1 多次冲击压缩试验波形

试验过程中，通过调节高压氮气气压，获得不同的子弹速度；同时，在入射杆子弹撞击端粘贴一定厚度的薄片作为脉冲整形器，减少波形弥散[8]，从而实现对试件受载应变率的控制．本试验选择了0.25 MPa、0.30MPa、0.35MPa的3种气压值，引发了约为4.5m/s、6.5m/s、7.8m/s的子弹速度，在试件中产生的加载应变率分别约为15 s1、25 s1和35 s1．表1给出了4组混凝土的多次冲击试验制度，即先采用0.25MPa、0.30MPa或0.35MPa气压对试件进行第1次冲击，然后采用0.30MPa或0.35MPa气压对试件再进行2次和多次冲击．

表1 多次冲击试验制度Tab.1 Testschemeofmulti-impact

按表1所示试验制度，对4组超高性能混凝土进行了多次冲击压缩试验．测试过程中试件被夹在入射杆和透射杆之间，由高压气体推动枪膛中的子弹撞击入射杆，产生一个弹性波（入射波）并在入射杆中传播，当入射波传到试件时，整个试件将被压缩；由于杆与试件之间的波阻抗差异，入射波被部分反射，以反射波形式重新返回入射杆，而另一部分则透过试件作为透射波进入透射杆．借助于数据采集系统分别将入射波，反射波以及透射波记录下来，图1列出部分试验波形．从所采集的波形图可以看出，随着第1次冲击速度的提高，所产生的第1次冲击入射波和透射波的幅值均不断提高，同时材料第1次冲击损伤也随之增加；第2次和第3次的冲击速度相同，入射波幅值相同，但透射波幅值却因材料损伤积累而降低，第1次冲击的损伤越大，透射波幅值降低越明显；在透射波幅值降低的同时，反射波幅值有所增加．

图1 超高性能混凝土多次冲击压缩试验的典型波形Fig.1 Typicalstresswave ofultra-high performance concretesubjected tomulti-impactcompression

2.2 多次冲击压缩应力-应变曲线

基于一维应力波理论建立的试件应变和应力计算公式[9]，采用图1所采集的反射波和透射波，可计算得多次冲击作用下各试件的应力和应变值．图2列出了部分试件在多次冲击压缩作用下的应力-应变曲线，该应力-应变曲线的变化规律将在2.3节中具体阐述．

图2 超高性能混凝土多次冲击压缩应力-应变曲线Fig.2 Stressvsstrain curves of ultra-high perform ance concrete subjected tomulti-impactcompression

2.3 多次冲击压缩作用下试件的损伤过程

经过多次冲击后试件的损伤发展规律如图3．从应力-应变曲线（图2）和损伤演化过程（图3）可以看出：1）随着冲击次数的增加，材料的应变率和峰值应变逐渐提高，峰值应力逐渐下降，反映了材料在多次冲击下损伤逐渐累积的过程；2）未掺钢纤维的H 100混凝土试件在多次冲击压缩荷载作用下，在未开裂之前，内部基本上无损伤，但一定次数冲击后试件的损伤就急剧增大，表现为突然性的断裂，从而无法再进行继续冲击；3）钢纤维的掺入，混凝土抗多次冲击的能力明显增强，且随着纤维掺量的增加，混凝土抗多次冲击的能力也逐渐提高；4）在较低幅值压缩荷载多次冲击作用下，掺钢纤维的混凝土试件的损伤度增加缓慢，只有当压缩荷载幅值达一定程度时，混凝土损伤D才较大幅度增大，直至破坏，即整个多次冲击压缩作用过程，试件损伤表现为明显的累积过程．

2.4多次冲击压缩后试件的破坏形态

图4给出了各系列混凝土在经历多次冲击后试件的破坏形态．

从图4可以看出：1）未掺钢纤维的H100混凝土经多次冲击压缩后，试件碎成小块，出现了严重的破损；2）由于纤维的阻裂作用，在较低幅值压缩荷载多次冲击作用下，掺钢纤维混凝土试件未能发现明显的破裂现象；当压缩荷载幅值增大后，随着损伤的不断累积，掺钢纤维混凝土试件呈现出裂而不散的破坏特征．

图3 超高性能混凝土多次冲击压缩作用下的损伤演化过程Fig.3 Damageevolution ofultra-high performance concrete subjected tomulti-impact compression

3 结论

1）在多次冲击压缩荷载作用下，随着钢纤维的掺入及掺量的增加，大掺量粉煤灰超高性能混凝土抗动态破坏作用的能力明显增强．

2）随着冲击次数的增加，大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的损伤不断累积直至最后失效，呈现出裂而不散的破坏特征．

图4 超高性能混凝土多次冲击压缩后的破坏形态Fig.4 Fracture pattern ofultra-high performance concrete aftermulti-impact compression

[1]戎志丹，孙伟，张云升．超高性能混凝土的制备及力学性能研究[J]．新型建筑材料，2008（13）：145-149．

[2]石少卿，刘颖芳，尹平，等．新型抗冲击、抗爆炸防护结构的研究[J]．后勤工程学院学报，2004（3）：9-11，15．

[3]佘伟，张云升，孙伟，等．绿色超高性能纤维增强水泥基防护材料抗侵彻、抗爆炸试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2011，30（S1）：2777-2783．

[4]巫绪涛，胡时胜，陈德兴，等．钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究[J]．爆炸与冲击，2005，25（2）：125-131．

[5]严少华，李志成，王明洋，等．高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究[J]．爆炸与冲击，2002（3）：237-241．

[6]刘建忠，孙伟，缪昌文，等．大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的试验研究[J]．新型建筑材料，2008（13）：150-155．

[7]刘建忠，孙伟，缪昌文，等．大掺量粉煤灰超高性能钢纤维混凝土的静动态力学行为[J]．华北水利水电学院学报，2010，33（6）：21-28

[8]孙伟，赖建中．超高性能水泥基复合材料的动态力学性能研究[J]．解放军理工大学学报：自然科学版，2007，8（5）：443-453．

[9]王礼立．应力波基础[M]．北京：国防工业出版社，2005．

[责任编辑 杨屹]

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

国家自然科学基金（50908104）；江苏省自然科学基金（BK 2011835）

刘建忠（1976-），男（汉族），教授级高工，Email：ljz@cnjsjk.cn．