纤维增强混凝土及构件抗冲击和抗爆试验研究综述

2020-03-10张纪刚

硅酸盐通报 2020年11期

张纪刚，杨冉

(青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033)

0 引言

混凝土材料作为工程应用中的主要材料之一，因其材料性能的不足，如抗拉强度低、脆性大、易开裂、延展性差，以及对冲击、开裂、疲劳的抵抗能力差[1-2]等缺点，在一定程度上制约着各类工程的建设。某些传统混凝土结构，如道路路面、桥梁、大坝等，除了需要承受静荷载之外，还需承受一定的冲击荷载。以军事防护为主的工程领域更是需要着重考虑混凝土材料的抗冲击、抗爆炸等极端荷载的性能。

随着复合材料的迅猛发展，纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete,FRC，简称纤维混凝土)应运而生，且因其具有显著改善混凝土的脆性[3]、提高混凝土的抗裂性能[4]、阻止裂纹扩展[5]、抗冲击能力[6]更加优异等优势，获得了极大的关注，为现代防护工程的建设提供了新型复合材料。

硅酸盐水泥基体中掺入石子、砂等材料构成混凝土，在混凝土的基础上均匀掺入一定量的各种纤维，就组成了纤维混凝土材料。纤维混凝土主要依据纤维类型来进行划分。

在纤维混凝土内，对纤维进行编织和分层等加工，再将此纤维织物与硅酸盐混凝土材料相结合，可以形成新型纤维混凝土材料——纤维织物增强混凝土。不同种类的纤维加入混凝土，会对混凝土的力学性能产生不同作用，为了综合各类纤维材料的优缺点，优化纤维混凝土的力学性能，学者们还提出并研究了各种纤维混合加强的混凝土材料——混杂纤维混凝土。

迄今为止，不同种类的纤维混凝土和混杂纤维混凝土的力学性能研究已经取得不少成果。从研究深度和广度上来说，研究较多的纤维混凝土有钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、玄武岩纤维混凝土、碳纤维混凝土和玻璃纤维混凝土，以及各种混杂纤维混凝土等。同时，对各种高强混凝土和轻骨料混凝土等新混凝土基体的纤维混凝土的研究也颇多。

许多研究人员通过开展纤维混凝土的一系列试验，如坍落度试验[7]、抗压试验、抗拉试验、抗折试验[8-10]、抗渗性试验[11]、抗碳化试验[12]和抗盐冻融试验[13]等，探究了纤维的加入对混凝土坍落度、抗压强度、抗折强度、抗盐冻性能、劈裂抗拉强度等的影响，对比分析了纤维混凝土与普通混凝土的基本力学性能，并试图找到各类纤维在混凝土中的最佳掺量；通过进行高温下纤维混凝土试验，也研究了温度变化情况下，不同种类纤维对混凝土力学性能的影响[14-15]；通过对混杂纤维混凝土的研究，得到各种混杂方式对混凝土力学性能的影响[16-17]；同时，国内外研究人员对混杂纤维轻质混凝土的力学性能、耐久性和功能特性研究也日渐增多[18-21]。

本文侧重纤维混凝土(重点是钢纤维混凝土)的抗冲击和抗爆性能研究，关注纤维混凝土在冲击和爆炸荷载下的动力学行为研究试验，总结了国内外学者和专家对各类纤维混凝土材料的动力学行为试验发展和研究状况，介绍了纤维混凝土的动力学性能试验，望能为之后各界对纤维混凝土的发展和应用提供一定帮助。

在爆炸和冲击载荷作用下，材料表现出的力学性能明显区别于静态和准静态情况[22]。纤维混凝土在爆炸和冲击等高能量密度条件下的瞬态动力学研究，包括理论研究和试验研究。由于从基本的理论原理来预估材料本构方程非常困难，因而在大多数情况下，必须依据经验来确定其合适的公式和适当的参数，特别是非线性的情况[23]。由于纤维混凝土材料的复杂性，为了研究纤维混凝土的动力学性能，采取各种类型的材料动力学试验尤为重要，同时纤维混凝土在防护工程领域的应用，也要求对其抗冲击、抗爆、抗侵彻性能进行研究。

1 纤维混凝土的抗冲击试验研究

材料动力学试验的类型有低应变率、中应变率、高应变率、超高应变率和材料高压物理状态方程试验[23]：低应变率试验的设备有普通材料万能试验机；中应变率试验的设备有高速材料试验机、落锤式材料试验机、气动式和机械式的凸轮式材料试验机；高应变率试验的设备有膨胀环、Hopkinson装置；超高应变率试验的设备有微型Hopkinson试验装置、一维应变试验装置和压剪试验装置。

1978年，Hibbert和Hannant[24]设计了摆锤式纤维混凝土冲击试验机。1981年，Schrader[25]提出了一种简便实用的抗冲击性能测试方法。1982年，Swamy 和Jojagha[26]开发了测定钢纤维混凝土结构抗冲击性能的试验方法，作者通过此方法有效评价了素混凝土和纤维混凝土的抗冲击性能，并区分了纤维形状和纤维几何结构对纤维混凝土抗冲击性能的影响差异。1988年，美国混凝土协会[27]提出了新的纤维混凝土冲击强度和弯曲韧性试验方法。自此之后，众多科研人员对纤维混凝土抗冲击试验不断进行完善和改进，并开展了纤维混凝土试块或纤维混凝土构件的一系列抗冲击试验。

2009年，Mohammadi等[28]对钢纤维体积参数和长径比不同的108根100 mm×100 mm×500 mm钢纤维混凝土梁试件进行了落锤冲击试验研究，记录了裂纹产生和失效时的冲击能量，得到了冲击荷载作用下性能最优时钢纤维的体积分数和纤维长度。得到钢纤维混凝土抗冲击性能最优时的钢纤维含量和纤维长度，为钢纤维混凝土动力学性能的进一步研究提供了基础。

2011年，Wang等[29]用分离式Hopkinson压杆(SHPB)对圆柱形钢纤维混凝土进行动态冲击试验，结果表明，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的破坏模式由脆性向韧性转变。该试验关注了纤维混凝土的破坏模式，钢纤维的加入提高了混凝土的韧性，即提高了混凝土在抵御冲击等动荷载时的吸能能力。

2014年，Tabatabaei等[30]研究了长度大于10 mm的碳纤维加入钢筋混凝土之后，对钢筋混凝土抗冲击剥落性能的影响，文章通过面板落锤冲击试验以及美国材料实验协会(ASTM)标准纤维混凝土弯曲性能试验，比较了普通混凝土、钢骨混凝土和四种不同类型的长碳纤维混凝土面板的抗冲击性能。该研究对纤维混凝土的剥落性能进行了关注，既对钢筋混凝土结构中防止钢筋上混凝土的剥落有积极意义，也为机场等路面的混凝土剥落提供参考。

2015年，Yoo等[31]通过采用准静态试验和落锤式冲击试验机，研究了钢纤维混凝土梁在准静态和冲击荷载作用下的受弯性能，得到了冲击荷载下纤维含量和强度对冲击损伤后构件的残余弯曲性能的影响。该研究关注冲击损伤后构件的残余弯曲性能，开始考虑钢纤维混凝土构件与普通混凝土构件受冲击破坏之后残余安全性能的差异。Gupta等[32]采用落锤试验、弯曲荷载试验和回弹试验三种方法对混凝土进行了冲击试验，建立了落锤冲击试验、弯曲荷载试验和回弹试验结果之间的关系，研究了废橡胶纤维替代细集料对混凝土抗冲击性能的影响。研究人员开始试图在纤维混凝土中利用其他废弃物降低工程成本，并对其抗冲击性能进行相关研究，此类研究对之后工业废弃料在混凝土材料里的复合应用及混凝土材料力学性能影响的研究提供了一定的参考。

2016年，Park等[33]改进了应变能框架冲击试验机，并对超高性能纤维混凝土在高应变率(10～150 s-1)下的直接拉伸应力应变响应进行了研究。Zhang等[34]采用伺服液压机和落锤冲击仪器对三种钢纤维混凝土(SFRC)缺口梁进行了三点弯试验，研究了混凝土的断裂能和抗折强度随荷载加载速率变化的规律以及纤维含量与加载速率灵敏度的关系。郝逸飞等[35]开展了螺旋钢纤维混凝土的SHPB和落锤试验，对该材料与梁构件在高速冲击下的响应进行了研究。有关应变率影响下的纤维混凝土力学性能的研究可以参考文献中的Hopkinson杆、落锤冲击等试验。

纤维混凝土的基底和增强纤维的新尝试，将会对更多新型复合材料的提出和发展有积极意义。2018年，Feng等[36]对不同种类的混杂纤维混凝土试件进行了连续重复落锤冲击试验，来研究多种混杂纤维对混凝土的碰撞能和冲击韧性的影响。Siddiqui等[37]提出了一种估算混杂纤维混凝土(HFRC)板抗半球形弹头冲击可靠性的概率方法，对其发表的冲击试验结果进行了概率分析，通过可靠性分析得出混杂纤维混凝土板在弹丸冲击下的安全水平，该方法对以后科研人员研究和分析抗冲击试验数据、评估纤维混凝土构件抗冲击可靠性提供了方法和思路。

2019年，董伟等[38]自制了落锤装置，用来开展不同掺量的玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击性能试验，并分析了纤维阻裂增韧机理；研究了纤维混凝土试块的韧性指标，即吸收冲击能量能力；文章指明纤维混凝土的抗冲击性能主要由纤维和水泥基体的锚固来实现，即提高纤维混凝土的抗冲击能力可以通过增大纤维和水泥基体间的摩擦来实现。陈庆丰等[39]利用自制落锤冲击试验装置，研究了碳纤维掺量和碳纤维长度对混凝土抗冲击性能的影响，探究了碳纤维混凝土抗冲击性能达到最优时的碳纤维掺量和长度。在进行材料冲击试验时，自制落锤装置的思路可以借鉴文献中的描述，但是自制落锤装置对研究材料性能来说不够精准，若要探索精确应变率下纤维混凝土的力学性能还需采取Hopkinson杆试验。

综上可以看出，纤维混凝土的抗冲击试验主要集中在落锤试验和SHPB杆试验，研究人员多从试件的剥落程度、能量吸收、试验破坏后的残余性能和冲击韧性等方对各类纤维混凝土的抗冲击性能进行分析，研究纤维的最佳掺量和最佳长度，或者探究各类纤维的加入对混凝土材料抗冲击性能和吸能性产生影响的机理，以及混杂纤维混凝土内纤维的混杂效应。

2 纤维混凝土的抗爆试验研究

相比于抗冲击试验，抗爆试验更复杂，试验数据的采集也更加困难，纤维混凝土的抗爆试验有空中爆炸、接触爆炸和内部爆炸等[40]。由于钢纤维比其他纤维具有更高的强度和韧性，国内外对钢纤维混凝土和构件的抗爆试验研究较多。

1966年，Williamson[41]记录了72次纤维混凝土板的爆炸试验结果，并通过纤维混凝土降低爆炸荷载产生的碎片数量和速度的能力来表征纤维混凝土的抗爆能力，对纤维混凝土抗爆能力的研究转化为对试验中产生碎片的记录。1999年，Lok等[42]对钢纤维混凝土面板进行了多次空气爆炸比例试验，文章介绍了试验详情和试件的响应情况，为相关领域内继续开展空气爆炸比例试验提供了经验。

2004—2007年，Magnusson等[43-44]对49根混凝土梁进行了空中爆炸和爆炸药包加载的动态试验研究，研究表明，钢纤维的加入提高了混凝土梁的抗爆承载力，作者研究了两种纤维长度，但恒定纤维长径比的同体积含量的钢纤维混凝土梁的力学性能，试验结果表明，随着抗压强度的增加，韧性降低，动态强度高于相应的静强度。通过一系列试验，钢纤维混凝土爆炸性能与钢纤维的长径比和长度等的关系逐步明朗，为钢纤维混凝土在抗爆领域的应用奠定基础。

2012年，Yi等[45]对加固的超高性能混凝土和活性粉末混凝土板进行了铵油(ANFO)爆破试验，该试验在韩国国防发展局位于军事分界线附近的试验场进行，记录了试件的爆炸损伤和破坏模式，结果表明，超高强性能混凝土和活性粉末混凝土具有较好的抗爆性能。该研究可以为之后纤维混凝土的水泥基和混凝土超高强基体的选择提供依据，也可以为之后混凝土板的爆破试验提供借鉴。

2017年，Foglar等[46]进行了高性能纤维混凝土和超高性能纤维混凝土桥面的足尺爆破试验，作者和捷克共和国武装部队合作，在竞技军事训练区进行了试验，从冲击波的角度出发，解释了试样内部应力局部增大的原理，并阐述了混凝土中加入玄武岩网对耗散爆炸冲击波能量的积极意义，对纤维混凝土以及各向异性材料的理论解释有重要启发。与Yi等[45]相似的是，跟各国国防部队等的合作，使试验数据和试验条件更贴近武装爆炸现实。

2019年， Yao等[47]通过连续接触爆炸试验，对混杂纤维混凝土面板的抗爆性能进行了试验研究，通过损伤系数和抗爆系数对其性能进行定量评估，为之后定量比较分析受损纤维混凝土面板的抗爆性能提供了思路；并且，作者引入了纤维混杂效应指数来评价混杂效应对混杂纤维混凝土面板抗爆性能的影响，混杂纤维混凝土的抗爆研究也可以在此基础上继续深入。

研究人员通常对纤维混凝土板、梁等纤维混凝土试件进行空气爆炸试验和接触爆炸试验，得出纤维混凝土的抗爆性能和纤维对混凝土抗爆性能的影响，随着试验技术和方法的改进，对纤维混凝土的抗爆性能已经逐渐开始定量分析。同时，科研人员积极在隧道、地下钢纤维混凝土衬砌洞室内探索高效开展化爆试验的技术途径，解决同一地点重复进行化爆试验可靠回填和人员物资通行的需求，实现密闭爆炸试验的安全封堵，解决试验后洞室及周围山体内有害气体快速排除的问题，为地下密闭结构内重复开展带复杂内部结构的化爆试验提供快速简便的方法[48]。

3 理论研究和数值模拟

对纤维混凝土动力学性能的研究主要集中在试验研究，在此基础上，一些研究人员根据SHPB、落锤冲击等试验结果和经验，提出纤维混凝土的本构模型，例如文献[40]中，以材料动态试验数据为基础，提出了一个新的SFRC材料的含损伤粘塑性本构模型,并通过积分出来的本构曲线对试验曲线进行逐次最小二乘法逼近，优选出了模型中的材料本构参数，之后的其他纤维混凝土动态试验的数据处理和材料本构模型分析可以借鉴作者的方法。

随着数值计算领域的快速发展，越来越多的科研工作者在试验研究的基础上，采用数值模拟来进行辅助研究，将试验结果跟数值模拟的结果进行比较，如文献[40,46]等。有限元模拟作为数值模拟中的重要部分，在材料、构件和结构的冲击、爆炸和地震等各种工况下都有广泛应用。对于纤维混凝土的抗爆和抗冲击来说，有限元模拟的难点之一在于材料属性的设置和损伤模型的选取，精准模拟纤维混凝土的动态性能离不开对纤维混凝土动态本构关系的研究，因此对纤维混凝土的试验研究和理论研究是纤维混凝土有限元模拟的基础。尹华伟等[49]在LS-DYNA模拟混凝土动力性能的材料模型——K&C 模型的基础上，基于大量三轴压缩试验改进了K&C 模型，使该模型应用于钢纤维混凝土的动力学模拟时能更好的与试验相吻合。Peng等[50]建立了超高性能钢纤维混凝土(UHP-SFRC)板接触爆炸三维细观模型来模拟超高性能混凝土，利用自编码程序，将钢纤维在混凝土基体中随机分布和定向。

在有限元软件的应用上，除了LS-DYNA之外，Abaqus的用户子程序和基于Python的二次开发功能，对科研人员根据试验数据自定义材料模型十分友好，同时其Explicit求解器专门针对动力学求解模型，因此应用也较为广泛。科研人员在之后的数值模拟中可以借鉴尹华伟[49]、Peng等[50]的模型，或者寻找新方法构建模型，更真实地模拟纤维混凝土。

4 纤维混凝土抗冲击和抗爆试验在土木领域的应用与发展

随着纤维混凝土材料的发展，纤维混凝土在土木工程抗冲击和抗爆领域的研究和应用越来越广泛，如钢纤维混凝土配筋梁的落锤冲击试验研究[51]和耐碱集束型玻璃纤维混凝土板耐冲击性能研究[52]等。钢纤维混凝土是众多纤维混凝土中运用最广泛，理论研究最多的一种，目前已编写的《钢纤维混凝土结构设计标准》，是钢纤维混凝土广泛应用的前提。土木工程领域常用钢纤维混凝土代替部分混凝土，如剪力墙、柱、梁，同时，钢纤维混凝土在道路路面和机场跑道上的应用研究也较为广泛。

文献[53]在钢纤维混凝土构件的基础上，提出了钢管混凝土边框钢纤维高强混凝土新型剪力墙，建立了钢管混凝土边框钢纤维高强混凝土剪力墙受剪、受弯和恢复力性能的计算方法，为编制我国《钢纤维混凝土结构设计标准》行业标准提供了试验依据和理论参考。李楠[54-55]采用理论分析和数值模拟方法对爆炸荷载下钢纤维高强混凝土墙(板)构件的动态响应、损伤效应评估和抗震性能进行了系统研究。参考文献[53-55]对其他纤维混凝土的力学性能和纤维混凝土构件等进行了试验研究、理论分析和数值模拟，则其他种类的纤维混凝土构件和结构设计研究也会日渐趋于系统。