钢纤维增强混凝土动态力学性能试验研究方法和进展

2023-02-02何文昌黄敏聪韦时华

四川水泥 2023年12期

何文昌黄敏聪韦时华杜曲赵丹

（湛江科技学院建筑工程学院，广东湛江 524094）

0 引言

钢纤维增强混凝土是在混凝土中掺入一定比例二维或三维乱向分布的钢纤维而得到的新型复合材料[1]。钢纤维可以抑制混凝土基体裂缝的发生和阻碍裂缝的扩展，从而提高混凝土的抗拉强度和韧性。此外，混凝土结构在建设和使用过程中会难免遭受各种偶发性的冲击荷载，这会对混凝土结构的正常使用寿命和使用功能造成严重影响，研究并认识动态荷载作用下钢纤维混凝土的力学性能显得尤为重要[2]。为此，文中重点对国内外已有钢纤维混凝土的落锤冲击、摆锤冲击、SHPB冲击压缩、高速弹射侵彻和抗爆冲击的力学性能研究进行梳理总结，并提出今后研究方向的建议，以期为钢纤维混凝土材料的研究及其工程实践应用提供参考。

1 钢纤维混凝土动态力学性能试验研究方法

1.1 高应变率冲击试验研究方法

1.1.1 SHPB冲击试验

1949年，Kolsky对霍普金森压杆技术进行改进，提出分离式霍普金森压杆技术（SHPB）[3]，并逐渐发展成测试陶瓷、岩石和混凝土等材料在高应变率载荷下力学性能研究的重要试验工具。SHPB试验技术分析基于两个假设：（a）一维应力波传播假定；（b）试件的应力（应变）均匀性假定。在此假定条件下，试件的应变ε(t)和应变率σ(t)分别表示为[4]：

式中：

E、A和C0——分别为入射杆的弹性模量、截面面积和波速；

L和As——分别为试件的长度和截面面积。

1.1.2 高速弹射侵彻

弹射侵彻试验主要是利用子弹高速射击被测材料靶体，研究弹丸对靶体的侵彻和穿透损伤行为。一般采用光测或电测技术测试弹体速度，使用高速摄影仪拍摄弹道轨迹及弹体着靶的角度。最后，通过分析测量靶体侵彻深度、裂缝数量与发展情况、弹体的破坏情况和贯穿剩余速度等参数作为被测材料抗冲击性能的评价指标。

1.1.3 爆炸冲击试验

爆炸冲击试验一般选用TNT炸药在离试件一定距离处引爆产生冲击波并撞击试件；通过安装在试件各测试点上的压力传感器、应变传感器和加速度传感器测量爆炸冲击荷载作用下的试验数据；最后，分析试件的变形情况、损伤程度，并采用专业分析软件处理试验数据得到压力时程曲线以及相应的加速度时程曲线。

1.2 低应变率冲击试验研究方法

1.2.1 落锤冲击试验

美国混凝土协会ACI544[5]推荐，采用尺寸为Ф152mm×63.5mm的圆饼状试件，将4.54kg的钢锤从冲击高程为457mm处作自由落体运动，反复冲击传力钢球产生冲击能推动试件发生变形；记录试件初裂和破坏时的抗冲击次数作为评定抗冲击强度的主要标准。随着试验准确性的要求提高，学者们还借助信号采集系统和高速摄像机记录冲击过程的动态数据。

1.2.2 摆锤冲击试验

摆锤式冲击试验法与落锤冲击试验原理相似，主要是先将摆锤提升至一定高度，使其具有一定的势能，然后释放摆锤将带有U或V型缺口的试件一次冲断，并记录摆锤冲断试件停止时的势能；根据机械能守恒的原理，分析试件破坏前、后摆锤势能的变化量，即为材料在冲击断裂过程中的耗能。

2 钢纤维混凝土动态力学性能研究进展

2.1 钢纤维混凝土的落锤和摆锤冲击试验研究

目前，国内外学者主要是参照ACI544推荐的落锤冲击试验方法，采用自行设计的落锤冲击装置进行钢纤维混凝土抗冲击试验[6-7]。潘慧敏和马云朝[2]研究发现，钢纤维的掺入显著提高了混凝土的抗冲击性能；当钢纤维掺量为1.0%时，混凝土的韧性系数达到最大值。Nataraja[8]研究表明，钢纤维混凝土开裂后抗裂性的百分比增加约为50%；并提出混凝土抗冲击性能结果的离散较大，应增加样本量以保证试验的准确。王海涛和王立成[7]研究发现掺入钢纤维能显著提高高强轻骨料混凝土的弯曲韧性和抗冲击性能，且钢纤维高强轻骨料混凝土的抗冲击能量与按JCI-SF4标准计算的韧性指数（EFT）呈对数关系：

式中：E1和E10——分别为钢纤维高强轻骨料混凝土和素混凝土试件的抗冲击能量。

此外，根据复合材料理论[9-10]，混杂纤维可以克服掺单一纤维的不足，不同纤维之间取长补短，发挥“正混杂效应”，达到1+1＞2的增强效果。近年来，利用钢纤维与其它纤维或者增强材料混合提高混凝土的抗冲击性能已越来越受到研究人员的关注。Nili和Afroughsabet[11]通过对混掺硅粉与钢纤维混凝土的抗冲击性能试验研究，发现混合掺入钢纤维与硅粉比单掺硅粉或钢纤维更能提高试件的冲击指数。孔祥清团队[4]研究发现，混合掺入1.5%钢纤维和0.9%聚丙烯纤维试件的抗冲击性能最好，初始和失效裂纹的冲击次数较素混凝土分别提高了3.7倍和59.5倍，同时发现试件的抗冲击次数服从于两参数Weibull分布。相似的，Ali等发现聚乙烯醇和镍钛形状记忆合金混杂纤维水泥基的抗冲击实验结果服从于Weibull分布函数的分布规律。王璞等[10]研究发现不同几何形状及尺寸的多层次纤维与混凝土复合材料多相、多层次的结构相呼应，利于提高混凝土的抗冲击性能。

近年来国内外研究人员配合使用负荷传感器得到冲击的应力-时程曲线或者采用高速摄像机来捕捉试件的破坏情况获得更加精确数据。但是，试验采用的试件尺寸、冲击锤质量、冲击高程等还未统一，难以直接比较不同材料的抗冲击性能[12]。

2.2 钢纤维混凝土的SHPB冲击试验研究

经过不断地改进和发展，SHPB试验设备已成为测试混凝土材料高应变率下动态性能的常用装置。黄伟等[13]通过对早龄期补偿收缩钢纤维混凝土的SHPB劈裂抗拉试验，发现该试件与普通混凝土试样整体破坏特征相似；但在应变率相近情况下，其劈裂抗拉强度比普通混凝土增加了18.3%，且具有较完整的破坏形态。Hao和Hao[14]研究发现，在高应变率下混凝土的能量吸收能力随钢纤维掺量的增多得到不同程度的增强；他们还推导了杨氏模量和动态抗压强度的动态增强因子（Dynamic increase factor，DIF）关系。此外，Li等[15]研究发现，钢纤维自密实混凝土的DIF与应变率的对数之间呈线性关系；且钢纤维自密实混凝土比钢纤维普通混凝土更高的DIF，表现出更显著的应变率效应。

随着大型基础设施建设加快和建设水平的提高，钢纤维高强混凝土的动态力学性能也受到了国内外研究人员的广泛关注。Jiao和Sun[16]利用SHPB试验装置对钢纤维掺量为0%，3%和4%的超高性能混凝土进行抗冲击性能研究，结果发现混凝土的应变率敏感性阈值约为50s-1。巫绪涛等[17]研究发现，钢纤维对混凝土的增强效果突出体现在低速加载情况中，且随应变率的增加，增强效果减弱；混凝土的峰值应变随钢纤维含量的增加而增加，但纤维含量对混凝土应力-应变曲线的上升段影响较小，而对下降段影响较大。李季等[18]研究发现，应变率越高，钢管钢纤维高强混凝土试件的动态抗压强度越大；钢管钢纤维高强混凝土比钢纤维高强混凝土的抗冲击压缩性能更好，且具备承受多次冲击压缩作用的能力。

综上可见，通过SHPB装置能够实现在高应变率条件下钢纤维混凝土材料动态冲击压缩和拉伸性能研究。但是结构服役过程中除了承受冲击荷载，通常遭受多种环境因素的叠加作用，目前开展更符合真实环境的钢纤维混凝土SHPB试验的研究较少。因此，钢纤维混凝土材料在高应变率与高温、冻融以及盐碱腐蚀等影响因素耦合作用下的动态性能尚待深入研究；同时，探究考虑相应影响因素耦合作用下的损伤机理及建立本构模型。

2.3 钢纤维混凝土的弹丸侵彻和抗爆试验研究

在爆炸和射弹等高能量密度条件下，混凝土的动态响应过程是瞬态动力学问题[19]。针对钢纤维混凝土的抗侵彻试验研究过程中，胡秀章[20]等通过分析掺量分别为0、3%和6%的钢纤维混凝土靶板的抗侵彻性能，发现随纤维掺量的增多，杆弹的速度消耗加大，靶板的吸能增加，靶板的破坏程度降低。Luo等对高性能钢纤维混凝土靶板进行抗侵彻试验，结果发现素混凝土靶板出现粉碎破坏，钢纤维混凝土靶板保持完好；并建立了靶板侵彻深度与弹丸无量纲速度之间的关系[21]。王德荣等[22]通过对钢纤维超高强活性混凝土抗侵彻计算方法研究，指出侵彻的深度主要由弹体的质量、形状、速度及靶体的强度、密度、断裂韧度、变形波速决定，并推导出可以推广到不同介质的侵彻深度，得计算公式：

式中：

h——侵彻深度；

λ1、λ2——分别为弹形系数和弹体比例换算系数；

Kq——侵彻系数；

v——弹体着靶速度。

此外，Algasse等研究发现，钢纤维可以替代横向钢筋抑制高强度混凝土梁爆炸引起的剪切破坏；提出使用单自由度分析并结合非线性阻力函数，可以很好地预测钢纤维高强度混凝土梁的爆炸响应。焦楚杰[23]等对钢纤维掺量为0～3%、强度等级为C100的高强混凝土板进行爆炸试验，结果表明爆炸应力波的衰减幅度受混凝土强度等级、纤维掺量的影响不大，但是试件背爆面的加速度峰值和迎爆面破坏程度则随着纤维掺量的增多而降低。

综上可见，掺入钢纤维可以提高在弹丸侵彻和爆炸荷载作用下混凝土的吸能、耗能和抵御变形的能力，降低混凝土损伤区的扩损伤程度。然而，由于抗爆性能研究的实际条件苛刻，试验模型通常是经过缩尺、简化或近似处理的，为符合实际情况仍需进行大量试验和反复验证[24]；此外，针对钢纤维混凝土在高应变率下钢纤维的增强机理的研究还不够充分。