鋼纖維高強混凝土材料的氣體炮試驗研究*

蔣國平 浣石 郝洪 杜永峰 焦楚杰

(廣州大學工程抗震中心，廣州 510405)

(2012年7月3日收到;2012年8月10日收到修改稿)

1 引言

由于防護工程的首要考慮因素是在爆炸、沖擊、侵徹等高應變率荷載作用下材料與結構的性能特點[1-8]，因此，目前防護工程應用最廣泛的是高強混凝土.然而，混凝土的脆性較大，高強混凝土的脆性更大，限制了其在防護工程中的應用，因此，對改性混凝土本身的改性技術及其動態特性的研究將是今后的一個熱點.目前對高強混凝土最主要的改性手段就是采用鋼纖維混凝土.研究鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced high strength concrete，SFRHSC)在高應變率下的沖擊性能，對于建筑物的抗爆設計，降低建筑物抗爆加固的成本，提高重要建筑物防御意外爆炸、恐怖襲擊和戰爭打擊的能力，具有重要的理論意義與廣泛的應用前景.分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗中的應變率較低，屬于中應變率，對于較高的應變率，通常要用到氣體炮試驗，氣體炮試驗能達到很高的應變速率.因此，近年來許多學者都對混凝土材料進行了氣體炮試驗研究，王永剛等[1]利用氣體炮對C30混凝土進行試驗，嚴少華等[3]利用氣體炮對鋼纖維高強混凝土進行試驗，蔣國平等[5]對高強混凝土進行了研究，并得到了其高壓狀態方程.然而，鋼纖維的增強機理仍然不明確，學術爭論一直存在.本文采用一級氣體炮裝置，利用同一彈速對纖維體積率為0與5%的C100級混凝土進行了高應變率沖擊壓縮試驗，研究SFRHSC的動態效應，分析其動態力學響應，為防護工程的設計、計算與數值模擬提供依據.

2 試驗材料與裝置

2.1 原材料與配合比

原材料：水泥、粉煤灰、硅灰、鋼纖維、河砂、玄武巖碎石(5—10 mm連續級配)、Sika減水劑.其中，C100V0表示C100級基體混凝土，C100V5表示基體為C100，vf(纖維體積含量)為5%的SFRHSC.配合比見表1.

試件尺寸為φ90 mm×8 mm的4個組合靶片，混凝土采用鋼模具澆注，在試件養護28 d后，將試件切割成厚度為8 mm的混凝土片，再對兩個端面進行磨床精密磨削加工，使其表面不平度小于0.1 mm.

表1 混凝土配合比

2.2 試驗裝置與原理

試驗裝置見圖1.抽真空后，將高壓氣體的突然釋放、彈丸在高壓氣體的推動下沿真空的炮管運動進行加速;在靶板處，彈丸與靶板進行高速碰撞;錳銅壓阻傳感器記錄一組壓力脈沖，利用錳銅壓阻傳感器的特性，將電壓信號轉化為壓力信號，得到壓力時程曲線.

對于試驗而言，在量計的測量范圍內要滿足兩個條件：1)沖擊波是平面波;2)沖擊波是均勻的(波陣面后參量不隨時間及距離變化).因此在設計試件和靶板時，必須考慮它們的寬厚比和追趕比，以消除邊側稀疏效應和追趕稀疏波的影響.其原理和過程如下.

1)試件寬厚比的估計(側向稀疏影響范圍)

當一個平面沖擊波進入靶板之后，由于實際靶板的橫向尺寸不可能無限大，因此，在靶板邊側自由面上將發生側向膨脹現象(因為在傍側自由面上要保持壓力為零的界面壓力連續).側向膨脹現象對靶板的平面沖擊波是一個稀疏干擾，它將以聲速向靶板內部傳播，在它到達的范圍內，會導致沖擊波強度的衰減，并使得原來的平面沖擊波陣面變彎曲.顯而易見，測量用的錳銅壓阻計所在的區間應懸在邊側稀疏波未到達的平面波區間內.

圖1 試驗裝置

圖2 側向稀疏示意圖

稀疏擾動相對于物質以聲速傳播，而沖擊波陣面后的u+c＞D，所以沖擊波陣面后的任何稀疏擾動都將趕上沖擊波陣面，并引起沖擊波強度下降.靶板中側向稀疏擾動的影響范圍如圖2所示.Ob線及其延長線就是沖擊波傳播過程中側向稀疏擾動的影響邊界.OA線與Ob線的夾角α稱為卸載角.顯然，在卸載角的范圍內不應該放置錳銅傳感器.

2)追趕比(追逐稀疏波的影響)

飛片與靶碰撞后，飛片內傳播的沖擊波到達飛片后界面時，又將反射一個中心稀疏波.這個中心稀疏波傳入靶內，最終將趕上靶內的沖擊波陣面，并引起該沖擊波強度的下降.顯然，測量靶材料中沖擊波速度的探針應該布置在中心稀疏波波頭尚未趕上靶中沖擊波陣面的距離上.本次實驗選取的飛片厚度為10 mm，而前3片靶片的總厚度只有24 mm，這個條件很容易滿足.

3 試驗結果與分析

3.1 實驗曲線

試驗采用了組合靶板(圖3).根據氣體炮的彈速與氣室壓力曲線關系，可以控制彈速，于是得到了彈速在325 m/s下的混凝土中的壓力時程曲線 (圖 4，圖 5).B，D，F 分別表示拉氏位置為 0，8，16 mm位置的壓力時程曲線，實驗照片見圖6.

圖3 組合靶板

圖4 C100V0混凝土試驗曲線

圖5 C100V5混凝土試驗曲線

3.2 SFRHSC的壓力時程曲線與應力應變關系分析

根據圖4和圖5混凝土中的壓力時程曲線，描繪出不同位置處的壓力峰值曲線(圖7).試驗結果表明，在沖擊的初始階段，兩種壓力峰值幾乎是相等的，只是隨著沖擊波的傳播，鋼纖維混凝土的壓力衰減明顯要少于不含鋼纖維的混凝土.

實例計算表明，沖擊作用下混凝土會出現裂縫，而裂縫的分布具有分形的統計自相似性，如肖波齊等[2,4,6,9,10]用分形理論計算流體進行了大量開拓性工作，取得了一系列重大進展.同時，沖擊作用下SFRHSC不同的拉格朗日應力與應變關系是研究SFRHSC本構關系的基礎，然而，氣體炮試驗中，不同的拉格朗日應力與應變關系曲線不是簡單地就可以得到的.通常的辦法是對拉格朗日應力時程曲線進行拉格朗日分析[9-17]，得到應變時程曲線，然后與應力時程曲線約去時間，得到應力與應變關系曲線(圖8)，其中實線部分為C100V0在拉格朗日位置0，8，16 mm位置處的應力應變關系曲線，虛線部分為C100V5在拉格朗日位置0，8，16 mm位置處的應力應變關系曲線.

圖6 波形照片 (a)C100V0;(b)C100V5

從圖8可以看出，同一拉格朗日位置處的應力峰值對應的應變增大，只是由于沖擊波的衰減，在較遠處不是很明顯.

現已公認混凝土材料在靜載荷與動載荷下性能截然不同.混凝土材料的強度和模量在某一應變率范圍之上會隨著動態加載速率的增加而迅速提高，并且增加的比例視受拉和受壓等受力方式不同而有所區別.通常定義動態強度放大因子(DIF)來定量描述這種強度增長程度.

圖7 不同拉格朗日位置壓力峰值曲線

為了克服試件中應力波傳播和軸向慣性力效應的影響，SHPB實驗裝置通常被用來進行材料動態本構關系的研究，因為該裝置的原理和構造特點可以忽略試件中的應力波傳播效應并且采用平均應力-應變(直接測量輸入桿和輸出桿應變)來研究實驗對象的應變率效應.在其他的高速沖擊實驗條件下，例如落錘實驗，軸向慣性力和應力波傳播效應或者被無法確保精度的主觀忽略或者只能對其做近似處理，目前還沒有文獻論及關于此類實驗方法在處理實驗結果方面具有合理客觀的解釋或者給出系統且定量的評價方法，因此關注更多的仍然是SHPB實驗.然而，SHPB實驗的應變率較低，對于高應變率問題[6-10]，仍然需要通過氣體炮試驗.

圖8 混凝土應力與應變關系曲線

圖9 材料的動態效應機理 (a)軸向壓縮時的橫向慣性約束;(b)軸向拉伸時的橫向慣性約束;(c)邊緣摩擦效應;(d)軸向慣性力和應力波傳播示意圖

材料的動態效應機理，主要有下面幾種(見圖9)，混凝土材料的動態強度究竟是一種材料特性還是一種結構效應?目前尚無定論.通過其增強機理，動態效應可以由材料增強得到，同時也可以由材料的尺寸效應得到.本實驗得到的動態效應，其機理可以由圖6(a)進行解釋，鋼纖維的加入增加了橫向慣性約束效應.圖7和圖8的壓力衰減表明，雖然在試驗中考慮了側向稀疏、追趕比等因素，由于混凝土本身就是具有許多的微裂紋與微孔洞，側向稀疏還是使得壓力隨著時間快速減少，鋼纖維的加入，對混凝土的抗沖擊阻抗影響并不大，使得兩種混凝土在撞擊初始壓力基本相同.然而，與靜態單向受壓不同的是，在沖擊作用下，由于慣性作用，試件中間部位的側向變形受到了限制，壓縮進行的過程中，限制作用越來越大，同時，軸向沖擊壓縮還將引起環向膨脹，試件母線方向的裂縫迅速產生并增寬、延長與貫通，并且導致試件破壞;三向分布的鋼纖維將基體緊緊攬系住，減少了環向膨脹裂紋的產生，并阻礙其快速擴展，從而使試件在軸向產生更大壓縮，也就使試件在相同拉格朗日位置壓力峰值增加.由圖7和圖8可見，在壓力卸載階段，C100V5明顯要比C100V0下降得慢，表明了纖維在卸載階段的阻裂作用非常明顯.

4 結論

1)混凝土均存在一定的孔隙度，受壓縮時會產生復雜的非線性力學性能，混凝土在靜態壓縮時存在一個壓緊的平臺階段，這個平臺對混凝土的性能至關重要，而在動態壓縮中這個現象也存在，由壓力時程曲線可以看出，此時，平臺退化為一個拐點，設計較厚靶片能較好地研究沖擊作用下的壓縮階段.

2)本文通過一級氣體炮加載，得到了高應變率下混凝土中的時程曲線，通過拉格朗日分析，得到了混凝土應力與應變關系曲線，比較得到了鋼纖維的加入對相同拉格朗日位置處的應力峰值的影響，分析了鋼纖維對混凝土的增強作用.

3)研究了鋼纖維的加入對混凝土材料的動態效應的影響，對動態效應的機理進行了探討.

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