HFR—LWC抗冲爆炸性能研究进展

周子欣 郭志昆 陈万祥 罗立胜

摘 要：混杂纤维轻骨料混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete，HFR-LWC）具有高强、轻质、环保等优点，在超高和大跨度结构中广泛应用。本文综述了国内外HFR-LWC的应用情况，从混杂效应、纤维长径比、纤维体积掺量、纤维形状及长度等方面总结了HFR-LWC静动态力学性能的主要影响因素，介绍了HFR-LWC抗冲击爆炸性能研究现状，指出了混杂效应的研究大多停留在定性研究上，HFR-LWC的力學性能与最优长径比、最优体积掺量之间的关系还不明确，HFR-LWC梁构件的抗爆试验甚少，HFR-LWC的结构抗爆作用机理分析缺乏试验依据等问题。

关键词：爆炸 冲击 混杂纤维 轻骨料混凝土 研究进展

中图分类号：TU528.572 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（b）-0084-04

随着现代土木工程结构朝高耸、大跨、重载的方向发展，以及建造各种新型特种结构需求的增加，普通混凝土比强度低的缺点日益明显[1]。为了突破常规混凝土的比强度极限，工程界许多学者致力于改善混凝土性能，并开发了一种高强、超轻、环保的轻骨料混凝土[2]。轻骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LWC）是指用胶凝材料、轻粗细骨料或普通砂和水配制成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土[3]。

为提高混凝土的延性，工程上通常掺入各种纤维材料。纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）即纤维增强混凝土，由于具有良好的抗裂性和韧性，在工程中被广泛采用。目前对钢纤维混凝土[4]、聚丙烯纤维混凝土[5]和玄武岩纤维混凝土[6]的研究较为深入，而混杂纤维混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete，HFRC）是指在混凝土中同时掺入两种或者多种纤维，既能发挥高弹模纤维对强度的提高效果，又能发挥低弹模纤维的增韧作用，使各种纤维的优势互补、性能超叠加而成的一种新型混凝土，目前已成为专家学者研究的热点[7]。

本文概括了LWC的发展应用、HFR-LWC静动态力学性能、HFR-LWC抗冲击爆炸性能3个方面的研究进展，总结了现有研究存在的不足，展望了未来的发展趋势。

1 LWC的发展及其应用

自从1918年美国的S.J.Hayde发明采用回转窑生产黏土陶粒以来，人造轻骨料技术得到了很大的进步，从而出现并推动了LWC的研究与应用，其技术也一直处于世界领先地位。LWC具有轻质高强、保温性好、耐火性能好、抗震性能好、耐久性好等优点，在高层建筑、大跨度桥梁、海洋平台等工程中被广泛采用。目前美国有800多座桥梁的修建都用到了LWC，如加州Benicia-Martinez大桥，使用的LC45级高强LWC，可满足1000年到2000年一遇的抗震设防要求。20世纪80年代末90年代初，我国高强陶粒、高强度陶粒混凝土的问世，标志着我国LWC的研究、应用进入到了一个全新的飞速发展时期。

然而，随着混凝土强度提高，其脆性趋于明显，这在LWC中尤为突出。而利用各种纤维增强轻骨料混凝土的研究已有30多年的历史，早在20世纪80年代初，英国Sheffield大学率先进行了钢纤维LWC的抗冲击性能试验研究。近年来，国内外许多学者对纤维增强LWC的力学性能、抗裂性能、抗冻性能及耐腐蚀性能进行了一系列研究，取得了大量有价值的研究结论。在国外，2003年澳大利亚New South Wales大学的O. Kayali等人对聚丙烯纤维和钢纤维增强LWC的力学性能进行了试验研究。结果发现，当钢纤维含量为1.7%时，高强LWC的抗拉强度和断裂强度提高接近1倍，但对抗压强度无明显影响；当聚丙烯纤维含量为0.56%时，LWC的抗拉强度和断裂强度分别提高90%和20%，而聚丙烯纤维含量对抗压强度同样无明显影响。在国内，2002年香港大学的R. V. Balendran等人研究了钢纤维对高强LWC强度和延性的影响，发现同样类型和体积率的钢纤维对高强LWC的劈裂抗拉强度和抗弯强度的改善要优于高强混凝土。综上所述，国内外对纤维LWC在静力荷载作用下的力学性能已开展了大量的研究，纤维对混凝土的抗压强度影响不大，但能显著提高混凝土的抗拉强度和弯曲韧性。

2 HFR-LWC的静动态力学性能研究

2.1 混杂效应

国内外许多学者对HFRC进行了大量研究，并提出了“混杂效应”“混杂系数”等概念，对定量评价混杂纤维的增强效果具有重要指导意义。为探索混杂纤维对LWC的增韧效果，近年，来国内部分学者对其开展了研究。蒋思晨等人研究了碳纤维-聚丙烯纤维混杂配置的LWC的力学性能，发现碳纤维与聚丙烯纤维在不同掺量以及不同几何尺寸下混杂，可以产生互补效应。霍俊芳等人选用钢纤维、聚丙烯纤维及二元混杂纤维LWC，系统研究了其基本力学性能。结果发现，LWC力学性能受不同纤维种类、纤维掺量以及纤维混杂配合比的影响较为明显，当钢纤维体积率1.0%与聚丙烯纤维0.6kg/m3混杂时，纤维轻骨料混凝土的各项力学性能得到优化。赵鹏飞等人研究了钢纤维-合成纤维混杂对LWC抗压强度、抗折强度及抗渗性能的影响，结果表明，两种纤维混杂后，LWC抗压强度明显降低，出现了“负混杂效应”。王璞等人自行设计了混凝土落锤弯曲冲击试验装置，进行了不同几何尺寸的碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维混凝土的抗冲击试验研究，结果表明碳纤维混凝土在冲击荷载下的正混杂效应较为明显。

2.2 纤维长径比

纤维的长径比是影响HFRC抗冲击性能的一个重要因素。表1给出了相关研究者进行抗冲击试验中的纤维参数。从表中可以看出，由于钢纤维的直径较大，钢纤维的长径比远小于其他纤维，抗拉强度较小，弹模较大。玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维均属于低弹模纤维，长径比最高可达到1000左右。

华渊等人认为混杂纤维的长径比对HFRC的抗压强度无明显影响，但对抗弯性能有很大的影响。试验数据表明，C-P HFRC中碳纤维的合理长径比为500～700，聚丙烯纤维的长径比不宜超过1000；而聚乙烯醇纤维的长径比则不宜超过1100。蒋思晨也得出了类似结论：碳纤维的最优长径比为600，聚丙烯纤维的最优长径比为900。周梦婷认为，钢纤维的增强作用与长径比成正相关，但长径比过大时，纤维过于细长，易卷曲抱团，故长径比一般控制在30～100。由此可見，HFRC的抗冲击性能与最优长径比之间的关系还有待进一步研究。

2.3 纤维体积掺量

纤维的体积掺量不仅影响到HFR-LWC构件的静动态力学性能，也关乎工程应用的经济效益。为得到经济效益最优的纤维体积掺量，许多专家学者进行了一系列试验研究。

李晓军等人通过实验研究发现，在C30～C90混凝土强度范围内，为保证振捣和搅拌过程中钢纤维分布的随机性和均匀性，钢纤维掺量宜在3%以下。王海涛等人研究了纤维掺量不同（体积率分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的钢纤维LWC静态力学性能和自由落锤抗冲击性能。结果表明，掺入钢纤维能较大程度提高LWC的拉压比、弯曲韧性和抗冲击性能，改善LWC的脆性，但对LWC的抗压强度和弹性模量影响较小。牛建刚等人以素LC30轻骨料混凝土为基准，研究了塑钢纤维掺量变化（5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3）对LWC静态力学性能及抗冲击性能的影响，试验得出了与相关研究相同的结论。综合试验结果给出塑钢纤维用于LWC的最优掺量为9kg/m3。张超等人将聚丙烯纤维和聚酯纤维掺入混凝土中，控制聚酯纤维的掺量和长度不变，通过冲击试验研究不同掺量和长度的聚丙烯纤维混凝土对双掺纤维混凝土抗冲击性能的影响，试验结果表明：加入的聚丙烯纤维在0.6～1.2kg/m3存在一个最佳掺量。

由以上研究成果表明：随着纤维掺量的提高，材料的抗冲击性能并不会一直提高，而是存在一个最优掺量，使得抗冲击性能最好。根据现有研究成果，钢纤维掺量应控制在3%以内，但对于其他纤维的最优掺量研究还有待进一步深化。

2.4 纤维的形状与长度

在大多数实际应用中，钢纤维的形状普遍采用的都是平直型或是钩尾型。有相关研究指出在低应变率情况下尚能满足结构要求，而对于一些重点防护工程来说，在高应变率的情况下，钢纤维会发生与混凝土基体相脱离的情况，难以满足设计要求。郝逸飞等人从钢纤维在混凝土中的二维、三维黏结原理差异入手，分析了钢纤维混凝土构件在高速冲击下与基体的脱离机理，提出并设计了一种新型的螺旋钢纤维材料（如图1所示），并将其与钩尾型钢纤维进行对比，开展了分离式霍普金森杆（SHPB）和落锤试验研究。结果表明，与传统钢纤维相比，螺旋钢纤维能够有效提供三维黏结力，可减少高应变率下钢纤维与混凝土基体脱离的情况，证明螺旋钢纤维比钩尾钢纤维提供更好地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。

纤维长度对抗冲击性能也有很大影响。王晓光等人进行了分别掺加4种不同纤维及无纤维高韧性肋形混凝土模板抗冲击试验。试验结果表明，对于钢纤维，由于长纤维与混凝土黏结面更大，受力更充分，约束混凝土基体范围更广，当试件受力出现裂缝时可以有效地限制纤维拔出的能力，从而需消耗更多的能量，故在一定范围内的同种纤维，长钢纤维比短钢纤维抗冲击能力强。而对于聚丙烯纤维和玄武岩纤维，其结论则有相反之处。张超等人指出，在聚丙烯纤维掺量一定的情况下，在试验中选用的6mm、9mm、12mm的长度中，所加入的聚丙烯纤维长度越短，其抗冲击性能越强。于泳等人采用直径15μm的两种长度（6mm、18mm）的玄武岩纤维，制成不同体积掺量（0%，0. 4%，0.6%和0.8%）的玄武岩纤维混凝土，采用7组共84个U形试件及自制的落锤冲击装置进行抗冲击试验，结果表明：玄武岩纤维能够提高混凝土的抗冲击性能，且在相同的玄武岩纤维掺量的条件下，6mm短纤维对混凝土的抗冲击性能的改善作用优于18mm长纤维。

3 HFR-LWC抗冲击爆炸性能研究

关于HFR-LWC构件的抗冲击性能的研究尚处于初步阶段。国外有关混凝土构件抗爆性能的试验资料大多是保密的，很难得到公开发表的试验数据，而国内许多科研机构受试验条件制约，部分单位只进行了普通纤维混凝土的抗爆试验。严少华等人采用大尺寸霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）试验装置，对聚丙烯短纤维增强LWC进行了冲击试验，得到了60～110s-1应变速率下的应力—应变曲线和破坏现象。王丹等人研究了塑钢混杂纤维LWC在分离式SHPB装置下的不同加载方式和不同应变率的动态力学性能，结果表明：塑钢混杂纤维LWC的应变率效应非常明显，动强度和峰值应变均与应变率成正相关。吴平安等人研究了高强高性能HFR-LWC的冲击动力性能，进行了SHPB冲击试验，得到了其受一次、多次冲击后的破坏现象和受力特点，分析了应变率对其力学性能的影响。结果表明，HFR-LWC对应变率效应的敏感程度比普通混凝土的要高，在高应变率时其动力力学性能得到明显改善，适合将其用于抗爆炸、冲击材料。广西大学周梦婷等人对13组不同纤维掺量的混杂纤维混凝土板进行了爆炸荷载试验，研究了纤维掺量变化对混凝土抗爆性能的影响，研究发现：相对于聚乙烯醇纤维，玄武岩纤维与钢纤维混杂时可发挥出更明显的抗爆性能优势。总参工程兵第四设计研究院胡金生等人针对3种分别加入钢纤维、聚丙烯纤维和钢筋的混凝土板进行了接触爆炸试验，分析得到了3种材料的抗爆性能系数。试验结果表明，钢纤维提高混凝土抗爆的能力最强，在聚丙烯纤维混凝土中加入钢纤维或钢丝网等高弹模材料，是一个提高其抗爆炸冲击性能的可行措施。天津大学徐慎春等人通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱爆炸破坏实验，研究了折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响。

上述研究单位开展的纤维混凝土构件抗爆试验，为HFR-LWC抗爆性能的深入研究打下了良好的基础。目前对于HFRC的抗爆试验研究较为丰富，但对于HFR-LWC抗爆试验的研究资料甚少，而LWC材料组分和基本力学性能与普通混凝土有较大区别，LWC构件的抗爆变形及耗能机理尚不清楚，对于HFR-LWC梁构件抗爆性能试验研究更是无人问津，无法检验现有理论分析和数值模拟结果的可靠性和准确性，因此通过试验方法深入研究其动力性能对工程应用具有重要意义。

4 结语

综上所述，目前国内外对LWC及HFR-LWC静力力学性能的研究相当充分，少量文献涉及其抗冲击性能，但对HFR-LWC构件抗爆性能及其加固技术的研究成果甚少，存在许多关键科学问题有待系统深入研究：（1）“混杂效应”是混凝土材料在静载作用下提出的，高频爆炸荷载作用下混杂纤维的增强增韧机理尚不清楚，大多停留在定性研究上，利用“混杂系数”来定量描述HFR-LWC的研究还较少。存在最优长径比和最优体积掺量，使得HFR-LWC的经济效益最优，但其力学性能与最优长径比、最优体积掺量之间的关系还需进一步探索研究。（2）目前HFR-LWC抗爆性能的研究主要集中在板、柱等构件方面，对于HFR-LWC梁构件抗爆性能试验研究更是无人问津，无法检验现有理论分析和数值模拟结果的可靠性和准确性。（3）作为一种新型高性能混凝土材料，HFR-LWC结构抗爆作用机理分析缺乏试验依据，HFR-LWC尚无相应的抗爆设计计算方法、加固依据和损伤破坏评估方法，工程上直接套用普通FRC构件设计计算理论会导致结果缺乏科学性与可信度。

參考文献

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