碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩性能

2021-07-07麻海燕吴彰钰余红发张锦华

建筑材料学报 2021年3期

刘婷，麻海燕，吴彰钰，余红发，张锦华

(1.南京航空航天大学民航学院, 江苏南京 211106; 2.东南大学土木工程学院, 江苏南京 211189)

混凝土是现代土木工程中广泛使用的结构材料，具有抗压强度高、耐久性好、护筋能力强等特点，但是其抗拉强度较低、抗裂性差.余红发等[1]利用外加剂技术，研制出了一种具有较高抗拉强度的新型镁质胶凝材料——碱式硫酸镁水泥(BMSC)，其主要水化产物为一种新发现的碱式硫酸镁晶须物相，化学式为5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O.吴成友等[2-3]研究发现碱式硫酸镁水泥具有快凝、早强、高强、抗水、抗腐蚀、高抗拉强度、高抗折强度和护筋能力强等优异性能.杨三强等[4]发现在强度等级相同的条件下，C30、C40、C50和C60碱式硫酸镁水泥混凝土(BMSCC)的劈裂抗拉强度分别比普通混凝土提高了32%、40%、53%和66%.

近年来，各类突发事件导致的爆炸和撞击等冲击荷载对工程结构的安全构成了巨大威胁，国内外学者开始关注混凝土材料的动态力学行为.Malvern等[5]、Ross等[6]和Tang等[7]分别采用不同直径的分离式霍普金森压杆(SHPB)探索了混凝土在高应变率下的动态力学性能.岳承军[8]研究了普通硅酸盐水泥制备的全珊瑚海水混凝土的SHPB冲击压缩性能，并建立了相应的动态本构关系，结果表明普通硅酸盐水泥混凝土材料是一种典型的应变率相关材料.章艳[9]进行了碱式硫酸镁水泥全珊瑚海水混凝土的SHPB冲击压缩试验，研究了碱式硫酸镁水泥混凝土的动态力学行为，但是其立方体抗压强度等级仅为C20～C45.

本文利用φ75mm的SHPB，对抗压强度等级为C35～C55的3种碱式硫酸镁水泥混凝土进行高速冲击压缩力学性能试验，并辅以Ls-Dyna有限元数值仿真分析，系统地研究碱式硫酸镁水泥混凝土在高速冲击压缩荷载作用下的力学特征及其变化规律，以探讨其在防护工程应用中的动态力学响应.

1 试验

1.1 原材料

水泥(C)为沈阳金辉篮鼎建材科技有限公司生产的52.5型碱式硫酸镁水泥，主要原料是轻烧氧化镁(活性MgO含量(质量分数，文中涉及的含量、含泥量等除特别说明外均为质量分数或质量比)为65%)、工业级七水硫酸镁、Ⅰ级粉煤灰和核心外加剂，其基本性能见表1.细集料(FA)为江苏溧阳濑江混凝土有限公司提供的赣江产河砂，表观密度为2650kg/m3，含泥量为1.4%，细度模数为2.6，属于Ⅱ区级配，中砂.粗集料(CA)为安徽兴源矿产有限公司提供的碎石，最大粒径为16mm，针片状颗粒含量为4.8%，压碎性指标为10.4%，表观密度为2610kg/m3，堆积密度为1440kg/m3，属于5～16mm 连续级配.水(W)为自来水，符合国家标准.

表1 碱式硫酸镁水泥的基本性能

1.2 混凝土配合比

参照碱式硫酸镁水泥混凝土配合比设计方法[10]，通过调整水灰比(mW/mC)，设计了3种抗压强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土，其配合比和28d 立方体抗压强度(fcu)见表2.

表2 碱式硫酸镁水泥混凝土配合比和28d立方体抗压强度

1.3 试件制备

1.3.1制备过程

将混凝土各原材料准确称量后，先将砂子和碱式硫酸镁水泥投入搅拌机搅拌均匀，然后投入石子进行充分搅拌，最后加水搅拌5min，之后即可出料，测定浆体坍落度.试件均采用浇筑振动法成型，其中圆柱体试件使用圆柱体聚氯乙烯试模.试件成型24h后脱模，置于(20±2)℃、相对湿度为(60±5)%的室内环境中自然养护，养护时间分别为28、90d.其中28d试件用于测定立方体抗压强度，90d试件分别用于测定立方体与圆柱体的静态抗压强度和冲击压缩力学性能.

1.3.2试件尺寸

采用边长100mm的立方体试件和φ70×70mm 的圆柱体试件测定静态抗压强度；采用边长100mm的立方体试件测定28d抗压强度，以确定碱式硫酸镁水泥混凝土的抗压强度等级.采用φ70×35mm的圆柱体试件进行冲击压缩试验，并计算动态增强因子(DIF).为了确保冲击压缩试验时试件的表面平整度与垂直度，将试件上下2个端面采用磨床打磨平整，控制2个端面的不平行度在0.02mm内[11].考虑到高速冲击试验的离散性，每组冲击压缩试件至少10个.

1.4 力学性能测试方法

1.4.1静态力学性能测试方法

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用2000kN伺服式万能试验机测试碱式硫酸镁水泥混凝土的静态力学性能.边长100mm的非标准立方体试件抗压强度值需乘以0.95的尺寸效应系数.

1.4.2动态力学性能测试方法

动态冲击试验采用合肥姜水动态力学实验技术有限公司生产的φ75mm SHPB装置.该装置由杆系、测试系统和动力驱动系统组成，其中杆系包括子弹、入射杆、透射杆和吸收杆，测试系统包括粘贴在入射杆和透射杆上的应变片、动态应变仪、示波器和测速仪，动力驱动系统包括高压氮气瓶和子弹发射装置，如图1所示.

图1 SHPB装置示意图

为了降低端部摩擦效应，应在试件及压杆的端面均涂抹润滑剂.如果润滑不当，会使试件的应力、应变极不均匀并导致对应变率效应的严重高估，从而使试验结果产生误差[11].

SHPB的基本思路是将波的传播效应和材料的应变率效应解耦，分离得到材料的应变率效应，其原理建立在压杆的一维弹性波假定和试件轴向应力均匀性假定基础之上[12].

采集并储存试验得到的数据，图2为试验所得的入射波(εi)、反射波(εr)和透射波(εt)的三波图，其中比较波为入射波+反射波.由图2可见，透射波与比较波吻合度良好，基本满足εt(t)=εi(t)+εr(t)，证明此试验数据有效，可供分析时使用.

图2 三波图

2 结果及分析

2.1 碱式硫酸镁水泥混凝土的静态力学性能

碱式硫酸镁水泥混凝土的90d立方体抗压强度、劈拉强度(fst,cu)、棱柱体轴心抗压强度(fcp)、圆柱体抗压强度(fcy)和圆柱体劈拉强度(fst,cy)见表3.其中，棱柱体轴心抗压强度用于冲击压缩的Ls-Dyna数值模拟时的参数设定，圆柱体抗压强度用于计算冲击压缩的动态增强因子.

表3 碱式硫酸镁水泥混凝土的90d抗压强度与劈裂抗拉强度

由表3可见，3组碱式硫酸镁水泥混凝土的90d 立方体抗压强度分别为35.6、53.7、64.7MPa，相应的劈裂抗拉强度分别为3.84、4.86、4.95MPa，分别比相同强度等级普通混凝土的计算劈裂抗拉强度[13-14]提高了74.5%、93.6%和80.7%，这表明碱式硫酸镁水泥混凝土确实是一种具有较高抗拉强度的新型混凝土材料.

2.2 碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩力学性能

2.2.1冲击压缩应力-应变(σ-ε)曲线

图3 不同强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土冲击压缩应力-应变曲线

2.2.2韧性指数

从狭义角度定义，韧性为材料或结构在荷载作用下到失效为止吸收能量的能力，其不仅取决于承载能力，也取决于变形能力[15].确定韧性指标的方法有能量法、强度法和特征点法等，本文采用能量法，利用应力-应变曲线下包围的面积表示韧性.图4为碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩韧性指数(η)与应变率的关系.由图4可见，碱式硫酸镁水泥混凝土的吸能能力随着应变率的增大而增大，其冲击压缩韧性指数随应变率的提高而增大.

图4 碱式硫酸镁水泥混凝土冲击压缩韧性指数与应变率的关系

2.2.3冲击压缩破坏形态

图5为碱式硫酸镁水泥混凝土在不同应变率下的冲击压缩破坏形态.由图5可见：破坏趋势沿着加载方向发展，且应变率越高，破坏程度越严重；在应变率较低时，试件内部引起微裂纹损伤的拉伸应力小于微裂纹成长的阈值应力，此时试件都能够保持完整的形态，表面未出现明显裂纹；随着应变率的增大，混凝土表面产生明显的裂纹且沿轴向贯穿试件表面，表层与边缘位置均有一定程度的剥落；应变率继续增大，破坏形态向粉碎发展，出现留芯，芯部逐渐减小，直至完全粉碎，且靠近入射杆端的粉碎程度高于透射杆端[16].在本试验所设应变率范围内，C35、C45强度等级的试件均出现了粉碎性破坏，而C55强度等级的试件充分发挥了较高抗拉强度的优势，即使在93.6s-1的高应变率下也未发生粉碎性破坏，仅呈现出多碎块破坏形态.

图5 碱式硫酸镁水泥混凝土冲击压缩破坏形态图

2.3 冲击力学性能的DIF规律

DIF是峰值应力与每组试件对应的圆柱体抗压强度的比值，用来表征脆性材料的动态特性，在冲击作用下会呈现增长的变化趋势，是加载速率(即应变率)的函数[17].图6汇总了本文与国内外学者采用不同试验方法对混凝土冲击压缩DIF的研究数据，冲击压缩所覆盖的应变率范围为10-7～102s-1.由图6可见，碱式硫酸镁水泥混凝土的抗压强度具有明显的应变率效应，DIF随着应变率的增大而增大，且增长趋势可大致分为2段：第1阶段的应变率小于临界应变率，DIF平缓增长；第2阶段的应变率大于临界应变率，DIF急剧增长.

图6 冲击压缩DIF与应变率关系汇总图

采用欧洲混凝土委员会(CEB)推荐的一维应力状态下混凝土的DIF拟合模型(式(1))对本文试验结果进行拟合.

(1)

表4 碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩DIF拟合结果

由表4可见，当应变率较小时，冲击压缩DIF值存在小于1的情况，即峰值应力小于其对应的静态抗压强度，主要原因是：冲击试验与静态力学性能试验的加载方式不同，静态试验为持续加荷直至试件破坏，而冲击试验加载时间极短，当打击气压较小时，所产生的冲击荷载不足以将试件打坏(见图5)，此时所测得冲击强度值并非试件在此荷载下的极限强度值.因此，DIF小于1的试验数据不作为讨论混凝土冲击压缩强度的依据.可利用式(1)与表4的拟合参数，将DIF=1时所得的应变率作为临界应变率，计算可得3个强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩临界应变率k分别为28.6、31.2、52.5s-1.

图7比较了碱式硫酸镁水泥混凝土、普通水泥混凝土(OPCC)和普通水泥钢纤维混凝土(SFOPCC)的冲击压缩临界应变率与立方体抗压强度之间的关系[17-23].其中，普通水泥混凝土和钢纤维混凝土的立方体抗压强度分别为26.7～82.5MPa和50.0～222.9MPa，立方体劈裂抗拉强度分别为1.8～3.2MPa[13-14]和10.0～30.4MPa[20].由图7可见，在高速冲击压缩荷载作用下，混凝土的临界应变率随着静态抗压强度的提高而增大，两者具有较密切的线性相关关系.此外，普通水泥混凝土的临界应变率明显低于具有较高劈裂抗拉强度的钢纤维混凝土，而碱式硫酸镁水泥混凝土的临界应变率明显高于普通水泥混凝土，且与钢纤维混凝土的临界应变率接近，这充分说明了碱式硫酸镁水泥混凝土在高速冲击下的力学性能优势.

图7 混凝土冲击压缩的临界应变率与立方体抗压强度之间的关系

3 数值模拟

针对承受大变形、高应变率及高压荷载的混凝土材料，Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型是一种综合考虑其应变率效应、损伤演化效应、围压效应和压碎、压实效应影响的本构模型[16].本文采用Ls-Dyna软件对SHPB冲击试验进行模拟.

3.1 模型建立

采用Ls-Prepost前处理软件建立简化模型，包括试件、入射杆和透射杆3个Part.其中入射杆和透射杆长度均为1.5m，直径为70mm，试件尺寸为φ70×35mm，采用Solid 164三维实体单元.为尽可能与试验条件相同，通过将试验采集的入射波数据函数ε(t) 作为荷载文件导入，从而形成入射杆端部载荷.为了保证模拟结果的精确度，在应力波脉冲持续时间内，其传播的路径上应有足够数量(n)的单元网格[24].文献[25]建议使用n≥10.本文将入射杆和透射杆在杆长方向均分为100份，沿周长均分为80份.试件在长度方向20等分，周长80等分，模型共639731个节点，422400个单元.杆件及子弹为同种类型的钢材，采用理想的弹性材料本构模型模*Mat_Elastic，弹性模量为210GPa，密度为7840kg/m3.杆件与试件的接触类型选择面面接触进行定义，关键字为*Contact_Automatic_Surface_To_Surface.采用对称罚参数法，罚参数因子取2.0，不计摩擦.

3.2 模型参数及模拟结果

本文模拟了强度等级为C35、C45、C55的碱式硫酸镁水泥混凝土分别在应变率为83.2、58.4、93.6s-1下的冲击压缩过程，根据吴赛等[27]提出的方法对参数A、B、C和N进行调试，最终确定碱式硫酸镁水泥混凝土HJC模型的21个参数，详见表5.采用Ls-Dyna软件和HJC模型拟合得到碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击压缩应力-应变曲线，如图8所示.由图8可见，应力-应变曲线的上升段模拟值与试验值吻合较好，下降段有一定的偏差.其主要原因是：初始阶段，试件应力并不平衡，当应力波在试件内部来回反射4次[28]后可保证应力均衡；在峰值点过后，试件出现不同程度的损伤，应力已不平衡.因此，模拟与试验应力波的下降段吻合效果不一定完美，仅可作为参考.

图8 应力-应变曲线对比图

表5 碱式硫酸镁水泥混凝土冲击压缩数值模拟的HJC模型参数

为了能够模拟试件在冲击过程中的破坏形态，在定义混凝土材料参数时添加关键字*Mat_Add_Erosion来计算混凝土的侵蚀失效单元.图9为3种强度等级的碱式硫酸镁水泥混凝土在不同应变率下试件的模拟破坏形态图，与试验破坏形态图(图5(c)、(e)、(i))对比可见，模拟的破坏形态与试验的实际破坏形态较为相似.

图9 试件模拟破坏形态

3.3 冲击压缩模拟结果与试验结果对比

表6为碱式硫酸镁水泥混凝土冲击压缩力学性能的部分Ls-Dyna软件数值模拟结果与试验结果比较.由表6可见，在不同应变率下，3种强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土的冲击抗压强度模拟值与试验值的相对误差分别为0.9%、3.9%和1.5%，冲击峰值应变模拟值与试验值之间的相对误差分别为3.2%、10.0%和5.7%.由此可见，采用Ls-Dyna软件和HJC模型具有良好的模拟效果.