螺旋钢纤维混凝土抗冲击试验分析

郝逸飞，郝 洪

（1. 科廷大学土木与机械工程学院，Bentley WA 6102；2. 天津大学-科廷大学结构监测与防护联合研究中心，天津300072）



螺旋钢纤维混凝土抗冲击试验分析

郝逸飞1 2，郝 洪1 2

（1. 科廷大学土木与机械工程学院，Bentley WA 6102；2. 天津大学-科廷大学结构监测与防护联合研究中心，天津300072）

摘要：大量研究表明在混凝土中加入钢纤维可显著增强混凝土的延展性与抗拉强度，从而可提高混凝土建筑的抗爆抗冲击性能. 目前在施工作业中普遍应用的是直钢纤维或钩尾钢纤维. 上述种类的钢纤维只能在混凝土基体中提供二维平面黏结，在混凝土构件受力开裂下极其容易发生钢纤维与混凝土脱离的情况，从而限制了钢纤维提高混凝土建筑抗爆抗冲击性能的有效性. 本文针对建筑的抗爆抗冲击安全需求设计开发了螺旋钢纤维混凝土建筑材料，并开展了分离式霍普金森杆（SHPB）和落锤试验，对材料与梁构件在高速冲击下的响应进行了研究. 结果表明，与传统钢纤维相比，螺旋钢纤维可有效控制混凝土开裂，对提高防护建筑抗爆抗冲击性能有着极大的贡献.

关键词：螺旋钢纤维；混凝土；高应变率；抗爆抗冲击

大量试验研究表明，在混凝土中加入离散的短钢纤维可明显增强混凝土的抗拉强度、延展性及抗冲击性能［1-3］.因此，钢纤维混凝土（steel fiber reinforced concrete，SFRC）复合材料被越来越多地用来建造高层、大跨及防护建筑.防护工程要承受可能的冲击与爆炸作用，设计者需要了解SFRC材料在动载作用下的性能.国内外很多学者通过考虑不同形状的钢纤维，对SFRC材料的动态性能进行了大量研究.Lok等［4］采用分离式霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）装置进行了钩尾（hooked-end）SFRC材料的动态压缩试验研究，试验结果表明，尽管钩尾钢纤维可显著增强混凝土试件峰后延展性，但当应变率超过50 s-1时，由于钢纤维与混凝土基体的脱离，相对于素混凝土材料，SFRC材料的抗冲击性能提高程度十分有限.另有试验表明，钢纤维的形状与长度都对SFRC的抗爆抗冲击性能有着重要影响［5-6］.

值得注意的是，无论在实际工程应用还是实验室试验中，目前普遍采用的是直（straight）钢纤维或钩尾钢纤维［5-7］.此类钢纤维只能在二维平面的一个或两个方向上为混凝土基体提供黏结，在高速冲击下极易导致钢纤维与混凝土基体脱离现象的发生.因此，改进钢纤维的形状，以提高钢纤维与混凝土基体之间的锚固与摩擦黏结，可直接有效地增强SFRC的抗爆抗冲击性能.

螺旋形钢纤维的几何形态简单，易于加工制作；同时因其与混凝土基体存在三维接触，可极大增强钢纤维与混凝土基体的黏结力，进而减少钢纤维与混凝土基体脱离情况的发生，显著增强SFRC的抗爆抗冲击性能.鉴于此，本文提出了螺旋钢纤维的概念，并对螺旋SFRC材料进行了静力与动力冲击加载的试验研究.试验中设置了钢纤维体积分数为1% 的钩尾SFRC、螺旋SFRC以及不含钢纤维的素混凝土圆柱试件，利用液压伺服刚性压力机测试试件在静态单轴压缩及劈裂下的力学性能；同时利用SHPB装置，对SFRC试件进行冲击试验以测试在动态荷载下的材料属性；此外，制作了SFRC梁试件，开展了落锤冲击荷载下SFRC梁的抗弯试验，证实了螺旋钢纤维对增强混凝土结构抗爆抗冲击性能的有效性.

1　原材料及配比

分别采用钩尾钢纤维与螺旋钢纤维（见图1）制作SFRC试件.钢纤维长径比均为50.钢纤维参数如表1所示.

图1　钩尾钢纤维及螺旋钢纤维Fig.1 Hooked-end steel fiber and spiral steel fiber

素混凝土及钢纤维混凝土试件的配比如表2所示.

表1　钢纤维参数Tab.1 Specifications of steel fibers

表2　试件配比Tab.2 Mixture proportions

2　静载试验

试件形状为φ100 mm×200 mm圆柱体.制作试件的材料分别为素混凝土、钩尾SFRC和螺旋SFRC.按照美国测试方法标准手册（ASTM）［8］的要求进行测试.准静态试验采用INSTRON1196试验机开展，加载速度为0.2 mm/min.

2.1单轴压缩试验

通过单轴压缩试验得到各试件轴向应力-应变曲线，如图2所示.可以看出添加钢纤维与否对试件的静态抗压强度并无明显影响.其次，有别于素混凝土在抵达峰值应力后完全破坏的表现，SFRC试件在峰后仍有大约10 mPa的残余强度，并表现出了极强的延展性.不同钢纤维形状对SFRC试件的单轴压缩应力-应变曲线无明显影响.

图2　单轴压缩试验下各试件的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of plain concrete and SFRC specimens under uniaxial compression

2.2劈裂试验

劈裂试验设置如图3所示.试件两侧分别设置线性可变差动变压器（linear variable differential transducer，LVDT），即直线位移传感器，用以测量试件在劈裂过程中的裂纹开口（crack opening displacement，COD）.试件的抗拉强度为［9］

式中：P为试件的竖向承载力；L为试件的长度；D为试件的直径；b为承载木条宽度.

在劈裂试验中得出的素混凝土与SFRC试件典型应力-COD曲线如图4所示.

图3　劈裂试验设置Fig.3 Split tensile test setup

图4　劈裂试验下试件的应力-COD曲线Fig.4 Stress-COD curves of plain concrete and SFRC specimens under split tension

从图4可以看出，素混凝土试件在达到峰值应力（2.3 mPa）的瞬间发生完全断裂，因此没有任何的峰后数据.而相对于素混凝土试件，加入体积分数为1% 钢纤维的试件不仅抗拉强度显著增强，而且其在达到峰值强度并开裂后的残余强度与延展性均有显著提高，由此证明了SFRC的耗能能力.采用不同形状钢纤维的SFRC试件应力-COD曲线的对比结果表明，相对于钩尾钢纤维，螺旋钢纤维能够增强SFRC材料的抗拉强度和峰后残余强度，因此，螺旋钢纤维对于增强SFRC试件的裂纹可控性及延展性具有明显的优越性.

3　分离式霍普金森杆（SHPB）试验

为了研究SFRC材料的动态特性，利用SHPB装置开展了动态单轴压缩及劈裂试验.试件形状为φ75 mm×37.5 mm圆柱体.试验系统布置如图5所示.试验采用渐缩形冲击杆，可以产生近似半正弦形状的入射波，从而避免了因压力杆直径较大而导致的波的震荡和弥散现象.分别采用素混凝土、钩尾SFRC和螺旋SFRC制作试件.不锈钢杆件材料的参数为：弹性模量200 GPa，密度7 800 kg/m3，弹性波速5 064 m/s，泊松比0.3.

图5　SHPB试验系统布置Fig.5 SHPB test system setup

典型的SHPB单轴压缩试验应力波如图6所示.

图6　典型SHPB单轴压缩试验应力波Fig.6 Typical stress waves in SHPB uniaxial compression tests

3.1动态单轴压缩试验

基于试件轴向受力平衡和一维波理论，计算试件的应力、应变率与应变分别为［10］

式中：E、A、C0分别为压力杆的弹性模量、截面面积和弹性波速；As分别为试件的截面面积；εT和εR为所测透射与反射应变.

众所周知，以砂浆为基体的材料往往具有应变率效应，即其在高速冲击下的强度通常高于静态强度.目前普遍采用动力放大因子（dynamic increase factor，DIF），即不同应变率下动态强度与静态强度的比值，来描述材料的应变率效应.通过SHPB冲击试验，得到了在不同应变率下试件的动态强度，结合试件的静态强度，可得出不同材料的DIF取值，如图7所示.可以得出，所有材料均体现了应变率效应.其中螺旋SFRC的动态强度对应变率的敏感度最高，而钩尾SFRC的应变率敏感度与素混凝土相似，因此，在高速冲击作用下相对于钩尾SFRC，螺旋SFRC材料具备更好的抗冲击性能.

图7　动态抗压DIF的比较Fig.7 Comparison of dynamic compressive DIFs

3.2动态劈裂试验

利用SHPB开展动态劈裂试验，将试件纵向与压力杆纵向保持垂直，试验设置如图8所示.

图8　SHPB动态劈裂试验设置Fig.8 Dynamic split tensile test setup in SHPB

假定试件的动态抗拉强度ftd与最大透射波成正比［11］，则有

式中：PT为透射力；R为压力杆的半径；Tσ为透射应力波.

相应的加载率与应变率为

式中Δt为透射波从零到峰值的时间间隔.

通过SHPB试验所测得试件在动态劈裂下的DIF如图9所示.

图9　动态劈裂抗拉DIF的比较Fig.9 Comparison of dynamic split tensile DIFs

由图9可以观察到与动态抗压试验类似的现象，即所有材料在动态劈裂作用下都体现了应变率效应，并且螺旋SFRC的动态强度对应变率的敏感度最高，证明了在高速冲击下，螺旋SFRC相较于钩尾SFRC具有抗冲击性能优势.

4　落锤试验

在以上关于材料的静、动态试验分析的基础上，开展了梁构件在落锤冲击下的抗弯试验以检验其响应.试件形状设置为100 mm×100 mm×350 mm的长方体，分别采用钩尾钢纤维及螺旋钢纤维.落锤试验设置如图10所示，落锤为15.2 kg铁块.将落锤吊起至距离试件一定高度时，释放卡钩，落锤以自由落体运动冲击目标.在试件上表面与铁架之间塞入泡沫塑料以减小试件在冲击力施加后的回弹，并在试件中间位置放置底端为半圆形的铁毡，将冲击力转换为点力形式.两个固定在地面的测力计中心距离为300 mm，在测力计上方放置铁滚轴，因此可将试件视为跨度300 mm的简支梁.使用LVDT测量试件的跨中竖向位移.

图10　落锤试验设置Fig.10 Drop-weight test setup

落锤高度为0.5 m，重复冲击试件直至完全断裂.历次冲击下钩尾SFRC和螺旋SFRC试件的冲击力-跨中位移关系曲线比较如图11所示.

图11　不同试件的冲击力-跨中位移曲线的比较Fig.11 Comparison of load-midspan displacement curvesof different specimens

通过图11的比较可以看出，在前两次冲击作用下，钩尾SFRC与螺旋SFRC试件的力-位移曲线相似；相较于钩尾SFRC试件在第2次冲击后完全破坏的情况，螺旋SFRC试件能够承受多一次的冲击，考虑到保护试件下面的位移传感器，并未进行第4次冲击；相较于钩尾SFRC试件的最大跨中位移（约17 mm），螺旋SFRC试件的最大跨中位移约为30 mm，具有更强的变形能力.试件的破坏情况如图12所示：钩尾SFRC在第2次冲击后完全破坏为两截，断裂部分完全分离；螺旋SFRC在经历第3次冲击后，断裂部分仍有钢纤维与混凝土紧密黏结.因此，螺旋SFRC在吸能及抗冲击性能方面的优势极为明显.

图12　试件破坏情况Fig.12 Damage patterns of specimens

5　讨 论

钢纤维越长，在试件内的份额越多，其所能提供的力学性能更优越.然而当钢纤维的尺度与份额超过一定范围，钢纤维混凝土的易和性大大降低，容易出现钢纤维在混凝土内打结成团的现象.因此钢纤维的长径比一般控制在100以内，体积分数一般控制在0.5% ～1.5%［12-13］.本文试验所采用的是常规混凝土，需将试件振捣以释放气泡，所以钢纤维在试件中的位置与方向是随机分布的.若能采用自密式混凝土制作试件，钢纤维随着混凝土的流动而具有一定的方向性，其抗弯折能力会更强，抗爆抗冲击性能提高得更显著.

螺旋钢纤维对混凝土延性的极大增强，可显著降低混凝土结构因近距离爆炸抗剪失效突然破坏，尤其是关键承重构件的突然失效导致建筑连续倒塌的可能.此外，钢纤维的熔点高（1 600°），在高温情况下仍能够对混凝土提供有效黏结.反观合成纤维的熔点一般在165°，在火荷载作用下，合成纤维熔化并丧失对混凝土的增强作用.因此当考虑高温与爆炸荷载联合作用时，螺旋钢纤维的应用可对混凝土结构性能的提高有显著效果.

6　结 语

本文提出了螺旋钢纤维的概念并开展了一系列试验对螺旋SFRC材料的静、动态特性以及抗冲击性能进行了研究.试验结果表明，无论在静态还是动态受力情况下，螺旋钢纤维均比钩尾钢纤维提供更好的对混凝土基体的黏结加固作用，对增强混凝土延性、裂纹可控性及吸能耗能有着显著优势.

螺旋钢纤维制作简单，并能提供对混凝土基体的三维黏结，因此螺旋SFRC作为一种新型建筑材料在提高建筑抗爆抗冲击性能方向具有极大的工程应用前景.

参考文献：

［1］ Brandt A M. Fiber reinforced cement-based （FRC）composites after over 40 years of development in building and civil engineering ［J］. Composite Structures，2008，86：3-9.

［2］ Romualdi J P，Batson G B. Mechanics of crack arrest in concrete［J］. Journal of the Engineering Mechanics Division，ASCE，1963，89（EM3）：147-168.

［3］ 窦国钦，杜修力，李 亮. 冲击荷载作用下钢纤维混凝土配筋梁性能试验［J］. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2015，48（10）：864-872. Dou Guoqin，Du Xiuli，Li Liang. Experiment on be-havior of reinforced concrete beams with steel fiber under impact load ［J］. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2015，48（10）：864-872（in Chinese）.

［4］ Lok T S，Zhao P J. Impact response of steel fiberreinforced concrete using a split Hopkinson pressure bar ［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2004，16（1）：54-59.

［5］ Gao J，Sun W，Morina K. Mechanical properties of steel fiber-reinforced，high-strength，lightweight concrete ［J］. Cement and Concrete Composites，1997，19：307-313.

［6］ Kim D J，El-Tawil S，Naaman A E. Rate-dependent tensile behavior of high performance fiber reinforced cementitious composites ［J］. Materials and Structures，2009，42：399-414.

［7］ Ravindrarajah R S，Tam C T. Flexural strength of steel fiber reinforced concrete beams ［J］. International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete，1984，6（4）：273-278.

［8］ ASTM International. Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens 2006［S］. Designation：C 39/C 39M.

［9］ Tang T. Effects of load-distributed width on split tension of unnotched and notched cylindrical specimens ［J］. Journal of Testing and Evaluation，1994，22（5）：401-409.

［10］ Lindholm U S. Some experiments with the split Hopkinson pressure bar ［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，1964，12：317-335.

［11］ Tedesco J W，Ross C A，Kuennen S T. Experimental and numerical analysis of high strain rate splitting tensile tests ［J］. ACI Materials Journal，1993，90（2）：162-169.

［12］ Hao Y，Hao H. Dynamic compressive behaviour of spiral steel fiber reinforced concrete in split Hopkinson pressure bar tests ［J］. Construction and Building Materials，2013，48：521-532.

［13］ Hao Y F，Hao H，Chen G. Experimental investigation of the behaviour of spiral steel fiber reinforced concrete beams subjected to drop-weight impact loads ［J］. Materials and Structures，2014，DOI：10.1617/s11527-014-0502-5.

（责任编辑：樊素英）

Test Analysis on Spiral Steel Fiber Reinforced Concrete Subjected to Impact Loads

Hao Yifei1 2，Hao Hong1 2
（1.School of Civil and Mechanical Engineering，Curtin University，Bentley WA 6102，Australia；2.Tianjin University and Curtin University Joint Research Center of Structural Monitoring and Protection，Tianjin 300072，China）

Abstract：Many studies have demonstrated that adding steel fibers to concrete mixture is able to markedly increase the ductility and tensile strength and thus enhance the resistance of concrete structures against blast and impact loads.However，it is noticeable that in current construction industry，the popularly used steel fibers are mainly straight fibers or hooked-end fibers that are only able to provide bonding to concrete matrix in a 2D plane.Because concretes using these fibers are vulnerable to fiber debonding，the effectiveness of using these steel fibers to improve the blast or impact load resistance is strongly limited.The present study proposes spiral steel fibers to reinforce concrete material and carries out both split Hopkinson pressure bar（SHPB）tests to investigate the material properties under high-speed compression and split tension and drop-weight tests to study the behavior of spiral fiber reinforced concrete beams under centre-point impact loads.The test results show that compared with conventional steel fibers，the crack controllability，residual strength and strain rate sensitivity can be greatly enhanced by spiral steel fibers.The significant contribution of spiral steel fibers to the improvement of protective structures against blast and impact loads is demonstrated.

Keywords：spiral steel fiber；concrete；high strain rate；blast and impact resistance

中图分类号：TU528.572

文献标志码：A

文章编号：0493-2137（2016）04-0355-06

DOI:10.11784/tdxbz201403084

收稿日期：2014-03-26；修回日期：2015-07-05.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51227006）.

作者简介：郝逸飞（1985— ），男，博士，讲师，hao.yifei@outlook.com.

通讯作者：郝洪，hong.hao@curtin.edu.au.