刚玉骨料超高性能水泥基材料抗侵彻试验和细观数值模拟

宫 俊, 吴 昊, 方 秦, 张锦华, 刘建忠

(1. 解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210007；2. 江苏省建筑科学研究院 高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 211103)

刚玉骨料超高性能水泥基材料抗侵彻试验和细观数值模拟

宫 俊1, 吴 昊1, 方 秦1, 张锦华1, 刘建忠2

(1. 解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210007；2. 江苏省建筑科学研究院 高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 211103)

混凝土抗钻地武器侵彻能力由基体强度和骨料硬度与粒径共同控制。为了研发具备更高抗侵彻能力的混凝土材料，利用刚玉超高强高硬的特点，将刚玉碎石作为粗骨料，制备出刚玉骨料超高性能水泥基材料(CA-UHPCC)。开展了不同骨料粒径(5～20 mm、35～45 mm、65～75 mm)的CA-UHPCC以及高强混凝土(HSC)靶体的中等口径弹体侵彻试验。通过与前期完成的玄武岩骨料超高性能水泥基(BA-UHPCC)靶体的弹体侵彻试验进行对比，验证了CA-UHPCC较BA-UHPCC和HSC具备更加优异的抗侵彻性能。进一步建立了考虑粗骨料形状随机生成和空间位置随机分布以及粗骨料/砂浆界面层的混凝土三维细观模型，对弹体冲击速度，骨料类型和体积率对混凝土靶体抗侵彻性能的影响进行了细观数值模拟。结果表明，靶体抗侵彻能力随着骨料强(硬)度，粒径和体积率的增大而提高，高强(硬)度和大粒径(大于1.5倍弹径)粗骨料可引起弹体磨蚀和断裂。

超高性能水泥基材料；刚玉；侵彻；细观模型；数值模拟

研发具备更高抗侵彻能力的混凝土材料对于军民用重点工程的安全防护具有重要意义。超高性能水泥基材料具有优异的物理力学和工作性能，在防护结构建设中具有十分广阔的应用前景。ZHANG等[1]、DANCYGIER等[2]、BLUDAU等[3]，FANG等[4]和WU等[5]分别基于实验、数值模拟和理论分析表明，混凝土材料抗钻地武器侵彻能力由基体强度和骨料硬度与粒径共同控制。然而，传统超高性能水泥基材料[6～10](UHPCC)为了提高基体的均匀性和密实度，从而达到更高的强度，在制备时不掺入粗骨料，忽略了粗骨料对于基体抗侵彻能力的贡献。

将高强粗骨料掺入传统超高性能水泥基材料，尽管会降低部分基体强度(20%以内)，但可以充分发挥骨料的抗侵彻能力。如BLUDAU等[3]系统开展了7.62 mm小口径子弹冲击贯穿不同类型和粒径(5～16 mm)粗骨料的超高强(80～140 MPa)钢纤维增强混凝土靶板的实验，得出具有高强高延性的玄武岩、刚玉和石英石骨料靶体较石灰石和硼化玻璃骨料靶体抗冲击能力更加优异，特别是当粗骨料粒径大于子弹直径时基体抗冲击能力提升更高。此外，在基于细观模型开展混凝土靶体抗弹体侵彻能力的数值模拟研究方面，FANG等[4]提出了块石密实算法，建立了考虑骨料形状随机生成和空间位置随机分布的三维细观块石遮弹层模型，对(注浆)块石遮弹层抗小直径炸弹侵彻进行了数值模拟。方秦等[11]进一步对小直径炸弹侵彻刚玉块石遮弹层进行了数值模拟，讨论了弹体命中速度、角度和着靶位置，以及刚玉块石大小和填充混凝土强度对遮弹层抗侵彻性能的影响。

常用的玄武岩骨料抗压强度约为200～300 MPa，弹性模量为40～100 GPa，密度为2 600～2 800 kg/m3。而刚玉[12-14]材料的主要成分是Al2O3，抗压强度在2 000 MPa以上，莫氏硬度为9.5，弹性模量400 GPa，密度3 800～ 4 000 kg/m3。此外，对于基体强度以及钢纤维的形状和掺量的考虑，ZHANG等[1]，WU等[15]和LANGBERG等[16]分别基于45～235 MPa强度范围混凝土靶体的弹体侵彻实验，得出抗压强度介于90～150 MPa的混凝土对于防护结构抗侵彻效费比最佳。当混凝土强度超出上述范围后，基体强度的提高对于混凝土抗侵彻性能的提升不再显著。对于钢纤维的形状(平直形，端钩形，螺旋形等)和掺量，综合考虑混凝土基体的力学和工作性能以及成本，WU等[15]，SOVJK等[17]和MCA等[18]提出1.5%～2%体积掺量的平直钢纤维最优。

本文利用刚玉高强高硬的特点，将刚玉碎石作为粗骨料，并掺入2%体积的平直微细钢纤维，制备出立方体(150 mm×150 mm×150 mm)抗压强度介于110～130 MPa的刚玉骨料超高性能水泥基材料(CA-UHPCC)。分别开展了CA-UHPCC靶体以及高强混凝土(HSC)靶体的弹体侵彻试验，并与前期完成的玄武岩骨料超高性能水泥基(BA-UHPCC)靶体的弹体侵彻试验[15]进行对比，分析了粗骨料类型(玄武岩、刚玉)和粒径(5～20 mm、35～45 mm、65～75 mm)对混凝土靶体抗侵彻能力的影响，验证了CA-UHPCC具有更加优异的抗侵彻性能。进一步基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件，建立了考虑粗骨料形状随机生成和空间位置随机分布以及粗骨料/砂浆界面层的混凝土三维细观模型，对混凝土靶体抗弹体侵彻性能进行了细观数值模拟分析。

1 弹体侵彻试验

本节通过开展中等口径缩比弹体的火炮试验分析CA-UHPCC靶体的抗侵彻性能。

1.1 弹体

采用尖卵头形DT300高强度合金钢弹体，其外形和尺寸如图1所示。弹体直径为25.3 mm，头部曲径比CRH=3，长径比为6，壁厚与弹径的比值为0.14。弹体平均质量为341.2 g，内部填充惰性高分子聚合物用以调整弹体质心。采用25.3 mm口径弹道滑膛炮发射弹体，为和前期试验对比，通过调整火药装药量，使弹体着靶速度约为510 m/s和850 m/s。

图1 弹体Fig.1 Projectile

1.2 靶体

(1)原材料

CA-UHPCC制备原材料：江苏小野田混凝土有限公司生产的硅酸盐PI52.5水泥，密度3.15 g/cm3；江苏南通电厂生产的一级粉煤灰，密度2.70 g/cm3；南京江南水泥有限公司生产的矿渣，密度2.80 g/cm3；中国Elkem上海公司生产的硅灰，密度2.1 g/cm3，比表面积20 500 m2/kg；南京地区河砂，细度模数为2.6；江苏苏博特新材料有限公司生产的微细平直钢纤维，直径0.17 mm，长13 mm，长径比为76，弹性模量210 GPa，抗拉强度为3 000 MPa；江苏省建筑科学院研发的聚羧酸高效减水剂，减水率达到40%；郑州晟臻磨料磨具有限公司生产的一级棕刚玉，其Al2O3含量在97%以上，密度为4 000 kg/m3，粒径分别为5～20 mm，35～ 45 mm和65～75 mm三种；南京地区玄武岩碎石，密度2 800 kg/m3，粒径为5～20 mm。

(2)制备步骤

不同配比的CA-UHPCC材料在江苏省建筑科学研究院高性能土木工程材料国家重点实验室制备。考虑到胶材和细骨料在干燥的情况下更易搅拌均匀，采用先干后湿法，先将胶材(水泥、矿粉、硅灰和粉煤灰)倒入搅拌机搅拌约30秒，然后加入细砂和粗骨料搅拌约1分钟，接着逐步加入水和减水剂搅拌3～5 min，最后缓慢加入2%体积的钢纤维并搅拌约3～5 min，使钢纤维在基体中均匀分布并避免成团。CA-UHPCC材料采用常规制备和养护工艺，不需要诸如活性粉末混凝土(RPC)制备所需的高温和高压等养护条件，其坍落度(180 mm～230 mm)和扩展度(400 mm～750 mm)均满足现场施工要求。

课题组前期已进行同种弹体510 m/s和850 m/s速度侵彻BA-UHPCC靶体[15]的火炮试验。本文进一步开展了高强混凝土(HSC)和不同粒径(5～20 mm、35～45 mm、65～75 mm)CA-UHPCC靶体的火炮试验。上述靶体配和比见表1所示，其中CA-UHPCC20/45/75分别表示刚玉骨料粒径为5～20 mm、35～45 mm与65～75 mm的CA-UHPCC靶体。靶体形状为Φ750× 500 mm圆柱体，周向用0.3 cm厚钢箍约束，如图2所示。靶体直径约为30倍弹径，可忽略其周向边界效应。

表1 靶体配和比

图2 CA-UHPCC靶体Fig.2 CA-UHPCC targets

1.3 试验布置

弹体侵彻试验在中国工程物理研究院总体工程研究所冲击实验室开展，试验布置如图3所示。图4给出了典型的弹体着靶瞬间高速摄像照片，可以看出，弹体冲击靶体时姿态良好，保持垂直入射。

图3 试验布置Fig.3 Test arrangement

图4 弹体着靶瞬间高速摄像照片Fig.4 Projectile impacting instant from high-speed camera

1.4 结果分析

(1)骨料类型对侵彻深度的影响

图5(a)分别给出了弹体510 m/s和850 m/s速度侵彻BA-UHPCC(125.2 MPa)和CA-UHPCC20(110.7 MPa)两种靶体的深度及靶体破坏形态。两种类型靶体的骨料体积率均为30%。弹体侵彻速度为510 m/s时，BA-UHPCC靶体的侵彻深度(122 mm)比CA-UHPCC20靶体的侵彻深度(99.5 mm)增大23%；侵彻速度为850 m/s时，BA-UHPCC靶体的侵彻深度(256.5 mm)比CA-UHPCC20靶体的侵彻深度(188 mm)增大36%。

可以看出，骨料粒径基本相同时，骨料强(硬)度的提高可以提升弹体的抗侵彻能力；在本次试验所涉及的弹靶材料和冲击速度范围内，弹体侵彻速度越高，提升程度越大。

图5 骨料类型对弹体侵彻深度和靶体破坏形态的影响Fig.5 Influence of the coarse aggregate type onpenetration depth and failure pattern

(2)骨料粒径对侵彻深度的影响

图6(a)分别给出了弹体510 m/s速度侵彻CA-UHPCC20(110.7 MPa)、CA-UHPCC45(125.6 MPa)、CA-UHPCC75(129.2 MPa)三种靶体的深度及弹靶破坏形态。其中CA-UHPCC45的侵彻深度(44.5 mm)与CA-UHPCC75的侵彻深度(48.0 mm)基本相同，均较CA-UHPCC20的侵彻深度(99.5 mm)减少55%左右。弹体侵彻一块CA-UHPCC45靶体时，深度仅为21 mm，原因在于弹体直接击中刚玉碎石，导致弹体断裂，如图6(b)所示。

此外，如图6(c)所示，当骨料粒径为5～20 mm(小于弹径)时，弹体头部产生严重磨蚀。当骨料粒径大于35～45 mm(约为弹径1.5倍)时，弹体发生断裂，弹体侵彻深度随粗骨料粒径的增大而显著降低。可以得出，高强(硬)度和大粒径(大于1.5倍弹径)粗骨料可引起弹体磨蚀和断裂，从而显著提升靶体抗侵彻能力。

图6 骨料粒径对弹体侵彻深度和弹靶破坏形态的影响Fig.6 Influence of the coarse aggregate size on penetration depth and failure pattern of projectile and target

(3)CA-UHPCC20与HSC靶体对比

图7(a)分别给出了弹体510 m/s速度侵彻UHP-CASFRC20(110.7 MPa)和HSC(61.8 MPa)靶体的深度及靶体破坏形态。其中CA-UHPCC20靶体的侵彻深度(99.5 mm)比HSC靶体的侵彻深度(147 mm)减少了33%。

图7 CA-UHPCC20和HSC靶体的弹体侵彻深度和破坏形态对比Fig.7 Comparisons of penetration depthand failure pattern between CASFRC20 and HSC targets

此外，从图5(b)、6(b)和图7(b)可以看出，掺入2%体积含量钢纤维的BA-UHPCC和CA-UHPCC20/45/75靶体的弹坑面积相似，未掺入钢纤维的HSC靶体的弹坑面积较大，说明钢纤维对减小靶体弹坑面积起主要作用。

从图5(a)和图7(a)可以看出，CA-UHPCC20靶体较BA-UHPCC和HSC靶体具有更强的抗侵彻能力。

2 三维细观模型建立与数值模拟

混凝土在细观层面可以看作由粗骨料、砂浆及二者间的界面过渡区(Interfacial Transition Zone，ITZ)构成的三相复合材料。已有关于混凝土材料抗侵彻数值模拟工作较多将混凝土视为均质同性材料，难以真实反映弹体冲击作用下混凝土材料的损伤破坏机理。本节基于课题组前期对混凝土三维细观模型[4, 19]的研究，建立了考虑骨料形状及空间位置随机分布的混凝土三维细观模型，对弹体侵彻混凝土靶体进行了数值模拟。

2.1 有限元模型建立

(1)骨料生成及随机投放

图8 骨料生成过程[4]Fig.8 Generation process of aggregate [4]

进行N次生长后，生成(8+2N)面三维随机多面体。生长5次后，即得到本节数值模拟所需的三维随机十八面体，如图9所示。

图9 三维十八面体模型Fig.9 Three dimensional eighteen-sided polyhedron model

骨料随机投放过程如下：首先根据混凝土级配要求确定不同粒径(设为R1、R2、R3)骨料所需的数量(设为M1、M2、M3)。利用离散元软件PFC3D分别生成M1、M2、M3个不同粒径(R1、R2、R3)的圆球，并在指定空间内进行投放，确定基圆中心点坐标。然后生成M1、M2、M3数量的R1、R2、R3粒径多面体骨料并随机排列，按照生成的骨料序列依次投放不同粒径骨料。混凝土骨料细观模型如图10所示。

图10 混凝土骨料细观模型Fig.10 Concrete mesoscale aggregate model

(2)网格划分

多面体骨料呈空间随机分布，直接对混凝土模型各组分进行网格划分较为困难。基于网格投影方法，采用六面体实体单元对混凝土模型进行网格划分，将划分好的网格投影到骨料投放区域，根据混凝土细观组分的特点，设定材料属性判定算法，确定砂浆单元、骨料单元与ITZ单元。材料属性判定原则为：若六面体单元的八个顶点均在骨料内部，则该单元为骨料单元，均在骨料外部，则为砂浆单元，同时存在节点在骨料内部和骨料外部，则为ITZ单元。

单元的尺寸根据骨料最小粒径决定，由于ITZ层是连接砂浆与骨料之间很薄的一层介质，其单元尺寸一般取骨料最小粒径的1/4～1/8。然而，单元尺寸过小会造成靶体模型总体单元数量庞大而难以计算。为了提高运算速度，并且保持精度，对靶体模型中心10 cm区域进行局部加密，单元尺寸为0.1 cm，其余范围单元尺寸为0.5 cm，靶体共划分单元564 000个。弹体模型尺寸与试验一致，单元尺寸为0.1 cm，共划分单元17 280个，弹体及靶体有限元模型如图11所示。考虑到靶体实际破坏情况，靶体尺寸定为Φ40 cm×35 cm。骨料采用单级配，粒径为20 mm，根据生成的骨料单元数确定体积率，分别生成14.6%、31.2%和46.3%三种体积率模型。计算时靶体模型约束条件与试验一致，周表面及底面采用固支约束。

图11 有限元模型Fig.11 Finite element model

2.2 材料参数

弹体材料采用Johnson-Cook模型[20]及Grüneisen状态方程[21]描述其力学性能，参数见表2所示。CA-UHPCC和HSC砂浆采用HOLMQUIT-JOHNSON-COOK材料模型[22]，参数见表3所示。ITZ材料模型与砂浆一致，采用HOLMQUIT-JOHNSON-COOK材料模型，强度根据砂浆强度弱化可得，弱化系数为0.8[23]。刚玉采用HOLMQUIT-JOHNSON-CERAMIC模型[24]，参数见表4所示。同时计算了80 MPa花岗岩和200 MPa玄武岩骨料(GA-UHPCC和BA-UHPCC)的超高性能水泥基材料，骨料均采用HOLMQUIT-JOHNSON-COOK模型，计算参数见表5所示。计算参数均采用国际单位制(m-kg-s-K)。

表2 弹体计算参数[4, 11]

表3 砂浆计算参数[25]

表4 刚玉计算参数[11]

表5 花岗岩和玄武岩计算参数[25-26]

2.3 数值模拟结果分析

数值模拟考虑了骨料类型、体积率和不同混凝土类型对靶体抗侵彻能力的影响。弹体侵彻30%骨料体积率CA-UHPCC靶体的应力云图如图12所示。不同工况的弹体侵彻深度计算结果见表6，其中“-”表示该组试验未开展。可以看出，数值模拟计算结果与试验结果吻合良好(<14%)。下面基于表6数值模拟结果分别分析骨料类型和体积率等因素对靶体抗侵彻能力的影响。

从表6中的数值模拟结果可以看出，骨料体积率为30%时，弹体510 m/s侵彻BA-UHPCC和GA-UHPCC靶体的深度(131 mm，142 mm)比侵彻CA-UHPCC靶体的深度(111 mm)分别增大18.0%和27.9%；弹体850 m/s侵彻BA-UHPCC和GA-UHPCC靶体的深度(281 mm，309 mm)比侵彻CA-UHPCC靶体的深度(212 mm)分别增大37.3%和45.7%。弹体510 m/s侵彻不同体积率(15%、30%和45%)CA-UHPCC靶体的深度随着骨料体积率的提高而减小(<10%)。弹体510 m/s侵彻CA-UHPCC靶体的深度(107 mm)比侵彻HSC靶体的深度(159 mm)减小32.7%。

图12 应力云图Fig.12Pressure contour photograph

因此，随着骨料强(硬)度和体积率的提高，弹体的侵彻深度减小，并且速度越高，骨料强度对靶体抗侵彻能力的提升程度越大。

表6 计算结果

3 结 论

本文对CA-UHPCC靶体和HSC靶体开展了不同弹体冲击速度下的侵彻试验，并与相同弹体和冲击速度的BA-UHPCC靶体的弹体侵彻试验进行对比。通过建立混凝土三维随机细观模型，对火炮试验进行数值模拟分析。得出CA-UHPCC较BA-UHPCC和HSC的抗弹体侵彻性能更加优异；靶体抗侵彻性能随骨料强(硬)度、粒径和体积率的提高而增强；较高强(硬)度和较大粒径(大于1.5倍弹径)粗骨料可引起弹体产生磨蚀和结构断裂，进而有效提升靶体的抗侵彻性能。

[ 1 ] ZHANG M H, SHIM V P W, LU G, et al. Resistance of high-strength concrete to projectile impact [J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31(7): 825-841.

[ 2 ] DANCYGIER A N, YANKELEVSKY D Z, HAEGERMANN C. Response of high performance concrete plates to impact of non-deforming projectiles [J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(11): 1768-1779.

[ 3 ] BLUDAU C, KEUSER M, KUSTERMANN A. Perforation resistance of high-strength concrete panels [J]. ACI Structure Journal, 2006, 103(2): 188-195.

[ 4 ] FANG Q, ZHANG J H.3D numerical modeling of projectile penetration into rock-rubble overlays accounting for random distribution of rock-rubble [J]. International Journal of Impact Engineering, 2014, 63: 118-128

[ 5 ] WU H, CHEN X W, HE L L, et al. Stability analyses of the mass abrasive projectile high-speed penetrating into concrete target Part I: Engineering model for the mass loss and nose-blunting of the ogive-nosed projectile [J]. Acta Mechanica Sinica, 2014, 30(6): 933-942.

[ 6 ] GRAYBEAL B A. Compressive behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete [J]. ACI Materials Journal, 2007, 104(2): 146-152.

[ 8 ] WILLE K, EL-TAWIL S, NAAMAN A E. Properties of strain hardening ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) under direct tensile loading [J]. Cement Concrete Comp, 2014, 48: 53-66.

[ 9 ] HABEL K, GAUVREAU P. Response of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) to impact and static loading [J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(10): 938-946.

[10] FARNAM Y, MOHAMMADI S, SHEKARCHI M. Experimental and numerical investigations of low velocity impact behavior of high-performance fiber-reinforced cement based composite [J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37(2): 220-229.

[11] 方秦, 罗曼, 张锦华, 等. 弹体侵彻刚玉块石混凝土复合靶体的数值分析 [J]. 爆炸与冲击, 2015, 35(4): 489-495. FANG Qin,LUO Man, ZHANG Jinhua, et al. Numerical analysis of the projectile penetration into the target of corundum-rubble concrete composite overlay [J]. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(4): 489-495.

[12] 唐耀振. 刚玉冶炼工艺学 [M] 北京: 国家机械委机床工具工业局, 中国磨料模具工业公司, 1987: 8-10.

[13] 唐德高, 贺虎成, 陈向欣,等. 刚玉块石混凝土抗弹丸侵彻效应试验研究 [J]. 振动与冲击, 2005, 24(6): 37-39. TANG Degao, HE Hucheng, CHEN Xiangxin, et al. Experimental study on corundum-rubble concrete against projectile [J]. Journal of Vibration and Shock, 2005, 24(6): 37-39.

[14] 周布奎, 周早生, 唐德高,等. 刚玉块石粒径对刚玉块石砼抗侵彻性能影响的试验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2004, 24(4): 370-375. ZHOU Bukui, ZHOU Zaosheng, TANG Degao, et al. The experimental study of nubbly corundum’s size affection to characteristics of anti-penetration of nubbly corundum concrete [J]. Explosion and Shock Waves, 2004, 24(4): 370-375.

[15] WU H, FANG Q, CHEN X W, et al. Projectile penetration of ultra-high performance cement based composites at 510m/s to 1 320 m/s [J]. Construction Building Materials,2015, 74(15): 188-200.

[16] LANGBERG H, MARKESET G. High performance concrete-penetration resistance and material development[C]// Proceedings of the Ninth International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Berlin-Strausberg, 1999, 933-941.

[19] 方秦, 张锦华, 陈力, 等. 全级配混凝土三维细观模型的建模方法研究 [J]. 工程力学, 2013, 30(1): 14-21. FANG Qin, ZHANG Jinhua, CHEN Li, et al. The investigation into three-dimensional mesoscale modeling of fully-graded concrete engineering mechanics [J].Engineering Mechanics, 2012, 30(1): 14-21.

[20] JOHNSON G R. Fracture characteristics ofthree metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures [J]. Engineering Fracture Mechanics, 1985, 21(1): 31-48.

[21] 王庭辉, 宋顺成. Grüneisen状态方程的数值解及其应用 [J]. 计算物理, 2007, 3(6): 361-366. WANG Tinghui, SONG Shuncheng. Numerical study of Grüneisen state equation and applications [J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2007, 3(6): 361-366.

[22] HOLOMQUIST T J, JOHNSON G R, COOK W H. A computationnal constitutive model for concrete subjected to large strains, high strain rates, and high pressures [C]// 14th International Symposium on Ballistics Quebec, Canada,1993: 591-600.

[23] 张锦华, 方秦, 龚自明, 等. 基于细观力学的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟 [J]. 计算力学学报, 2012, 29(6): 927-933. ZHANG Jinhua, FANG Qin, GONG Ziming,et al.Numerical simulation of static mechanical properties based on 3D mesoscale model of fully-graded concrete [J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2012, 29(6): 927-933.

[24] JOHNSON G R,HOLMQUIST T J. An improved computational constitutive model for brittle materials[J]. High Pressure Science and Technology, 1994, 309(1): 981-984.

[25] 王政, 楼建锋, 勇珩, 等. 岩石、混凝土和土抗侵彻能力数值计算与分析 [J]. 高压物理学报, 2010, 24(3): 175-180. WANG Zheng, LOU Jianfeng, YONG Heng,et al. Numerical computation and analysis on anti-penetration capability of rock, concrete and soil [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2010, 24(3): 175-180.

[26] 方秦, 孔祥振, 吴昊, 等. 岩石HOLMQUIT-JOHNSON-COOK模型参数的确定方法 [J]. 工程力学,2013,31(3): 197-204. FANG Qin, KONG Xiangzhen, WU Hao,et al. Determination of HOLMQUIT-JOHNSON-COOK constitutive model parameters of rock [J]. Engineering Mechanics, 2013, 31(3): 197-204.

Test and mesoscale numerical simulation for corundum-aggregate ultra-high performance cementitious composites against projectile penetration

GONG Jun1, WU Hao1, FANG Qin1, ZHANG Jinhua1, LIU Jianzhong2

(1. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China; 2. State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials, Jiangsu Research Institute of Building Science, Nanjing 211103, China)

The anti-penetration capability of concrete material is mainly dependent on its compressive strength and diameter and strength (hardness) of coarse aggregate. To develop a new type of concrete material being able to resist more intensive projectile impact loading, corundum pebbles with ultra-high strength and hardness were added, and corundum-aggregate ultra-high performance cementitious composites (CA-UHPCC) were prepared. The medium caliber projectile penetrating tests on CA-UHPCC with different coarse aggregate sizes (5～20 mm, 35～45 mm, 65～75 mm) and high strength concrete (HSC) targets were conducted, and the test results were compared with the previous ones of basalt-aggregate ultra-high performance cementitious composites (BA-UHPCC) projectile penetrating tests. The higher anti-penetration capacity of CA-UHPCC than those of BA-UHPCC and HSC was validated. Furthermore, the 3D mesoscale finite element model of concrete considering random aggregate shapes and random spatial positions distribution as well as coarse aggregate/mortar interfacial transition zone was established. The numerical simulation of projectile impacts was conducted, and the effects of projectile velocity, coarse aggregate type and volumetric ratio on the anti-penetration capacity of concrete targets were analyzed. The results showed that the capacity of concrete targets against projectile penetration increases with increase in coarse aggregate strength (hardness), size and volumetric ratio; high strength (hardness) and large size (larger than 1.5 projectile diameter) coarse aggregate can cause abrasion and break of projectiles.

ultra-high performance cementitious composites (UHPCC); corundum; penetration; mesoscale model; numerical simulation

国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321064)；国家自然科学基金重点项目(51438003)

2015-11-26 修改稿收到日期：2016-02-29

宫俊 男，硕士生，1991年生

吴昊 男，博士，副教授，1981年生 E-mail：lgdxgj@163.com

TU528.572

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.008