混杂纤维高强混凝土层裂试验研究

焦楚杰， 权长青， 李习波， 申 博， 闫 毅

(1. 广州大学 土木工程学院，广州 510006； 2. 广东石油化工学院 建筑工程学院，广东 茂名 525000)

混凝土防护工程遭受弹体侵彻时，背爆面可能产生大面积的痂片区域、甚至发生碎片高速飞溅[1-3]，这是一种层裂现象。层裂的原因是由于入射压缩波在结构自由面反射为拉伸波后，在自由面附近某处形成相当高的拉应力σ，当σ满足动态断裂准则时，该处将产生层裂破坏(出现裂缝或断裂飞出)[4]，层裂破坏的严重程度，与混凝土的动态拉伸强度负向相关。

混凝土的拉压比一直是工程界研究热点，就素混凝土而言，随其抗压强度的提高，拉压比减小，脆性现象更明显，使材料性能不能得到充分利用。在混凝土基体内掺入纤维可以显著改善混凝土抗拉性能，同时掺入不同弹性模量的纤维(如钢纤维和聚丙烯纤维)，更能各尽其善，起到增强增韧、降低成本的效果。Cadoni[5]通过试验对混凝土断裂性能进行应变率的影响分析，发现试块的抗拉强度、破坏应变、断裂能都随应变率的增加而显著提高。Feng等[6]对聚合物混凝土进行动态劈裂试验，探讨了不同混凝土抗拉强度的增强机理Brara等[7]采用霍普金森压杆对C35级混凝土进行层裂试验，获得了层裂强度和断裂能。赖建中等[8]对活性粉末混凝土进行冲击层裂试验，发现随冲击次数和应变率的提高，材料的损伤程度、压缩波和拉伸波衰减增加。

为探索一种新型的防护工程材料——混杂纤维高强混凝土(Hybrid Fiber Reinforced High Strength Concrete， HFRHSC)的抗冲击性能，本文采用Hopkinson压杆对钢纤维体积率为0%～4%、聚丙烯体积率为0%～0.1%的C80级HFRHSC进行层裂试验研究。

1 试验概况

1.1 原材料

PII52.5R普通硅酸盐水泥、中砂、花岗岩碎石、硅灰、粉煤灰、减水剂、钢纤维、聚丙烯纤维、自来水。钢纤维体积率Vf为0%、2%、4%，聚丙烯纤维体积率Vp为0%、0.05%、0.1%，材料类型分别为C80V0P0、C80V2P0.05、C80V2P0.1、C80V4P0.05、C80V4P0.1。各材料类型对应的配合比见表1。

1.2 试块

HFRHSC层裂试块尺寸为Φ70 mm×600 mm，每种配合比的混凝土制备4个试块，试块经标准养护后，对两端面再进行打磨处理，使其表面光滑以满足试验要求(两端面不平度公差≤0.2 mm，两端面平行度公差≤0.5 mm)。同时每种配合比还制备了3个100 mm×100 mm×100 mm的试块用以测量静态劈裂强度，与层裂强度相比较。

表1 C80级HFRHSC配合比

1.3 试验原理及方案

采用Φ74 mm直锥变截面Hopkinson杆测量混凝土试块的层裂强度，如图1所示，对表1中各配合比HFRHSC试块进行应变率为(1～10 s-1)和(20～30 s-1)层裂试验。采集入射波信号的8组应变计与入射杆/试块端面的距离分别为50 mm、80 mm、130 mm、180 mm、230 mm、280 mm、330 mm、380 mm，每个位置对称贴两个应变片，将应变上记录的电压信号转化为应变信号，再转化为应力信号，取平均应力信号作为试验值。

因靠近试块撞击端有圣维南效应[9-10]，应变计不应太靠近撞击端，又考虑到应力波初始衰减较剧烈，记录波形的应变计距离需较小，因此应变片的贴片位置如图1所示，试块前两个应变计的间距为30 mm，其他应变计的间距为50 mm。

图1 典型层裂试验装置简图Fig.1 Scheme of typical spalling experimental device

层裂的产生不仅与材料本身有关，应力波的幅值和波形对层裂强度的影响至关重要，试验时采用长度为70 mm的子弹，可以减小脉冲宽度，避免应变计中入射波与反射波的叠加；短子弹易产生类似半周期的正弦波，可以减小波形的弥散。

为减小入射波传播弥散对试验的不利影响，所有试验均在入射杆端加垫Ф12 mm×1 mm黄铜片作为波形整形器，通过采用波形整形器和万向头技术，获得了较好的试验波形，如图2(a)；图2(b)为加置波形整形器未加置万向头的试验波形。图2中A、B、C、D、E、F、G、H分别为试块上8个截面上的应变计所记录的波形，从图中可知，加置波形整形器和万向头后试块受力较为均匀，且波形上升沿陡峭，下降沿较为平缓。

本次试验的应力波波峰出现了彼消此长，这与其他学者所得的波形情况类似[11-12]，究其原因是，混凝土存有微观孔隙，试块各处密度、弹性模量不尽一致。因此在进行数据处理时，本课题组取8组应变计的平均值作为反演入射波。

(a) 加万向头

(b) 未加万向头图2 应变计波形Fig.2 Strain gauge wave form

反演入射波在自由面反射成拉伸波后，按入射波与反射波在自由端面附近相互作用的程序[13]，可以得到自由端附近的应力分布，按试验后测量的层裂位置和拉伸波峰值交点确定层裂强度fd，如图3所示。图中的水平轴为试块各处位置距自由端的距离；斜直线为各拉伸波的峰值连线(即最有可能使试块发生层裂破坏)；左起第一条竖线为试块断裂最靠近自由端的位置，第三条为试块断裂最远离自由端的位置，第二条为试块断裂位置距离自由端的平均值或者为断裂最为集中位置。

图3 层裂强度处理方法Fig.3 The spall strength processing method

以图4为例，在图3中第一条竖线为最靠近试块自由端的破坏位置(距自由端226 mm)，第二条竖线为破坏最为集中的位置(距自由端230 mm)，第三条竖线为离试块自由端最远的破坏位置(距自由端233 mm)。层裂强度为第二条竖线(黑粗线)与波峰的交点，即σF=11.6 MPa。

图4 试验后C80V0P0-1试块局部图Fig.4 The local map of C80V0P0-1 specimen after experiment

名义平均应变率，按式(1)计算

(1)

2 试验结果与分析

表2为应变率(1～10 s-1)和应变率(20～30 s-1)下混凝土的层裂强度、拉伸波作用时间、应变率的试验值。

表2 各类材料层裂试验值

图5(a)、图5(b)分别是应变率(1～10 s-1)和应变率(20～30 s-1)下混凝土的层裂强度与纤维体积率之间的关系，图6是混凝土的静态劈裂强度与纤维体积率之间的关系。

从图5和图6中可知，HFRHSC在动态冲击作用下的拉伸强度与静态拉伸强度的差异很大，这与其他专家的研究结果一致[14-16]。由于混掺钢纤维和聚丙烯纤维，出现了与单掺纤维不一样的结果，如下分析。

图5 HFRHSC层裂强度Fig.5 Spalling strength of HFRHSC

图6 HFRHSC静态劈拉强度Fig.6 Static tensive strength of HFRHSC

2.1 钢纤维和聚丙烯纤维对层裂强度的影响

对比图5(a)和图5(b)知，纤维的掺入可以大幅提高HFRHSC的层裂强度，C80V2P0.05、C80V2P0.1、C80V4P0.05、C80V4P0.1在应变率为1～10 s-1下比基体强度分别提高了87%、111%、129%、156%；在应变率为20～30 s-1下分别提高了41.9%、59.8%、63.8%、44.5%。随着纤维体积率的增大，HFRHSC层裂强度增大，但钢纤维体积率Vf对层裂强度的提高幅度大于聚丙烯纤维Vp对层裂强度的提高幅度。

从图5(a)中可知：①聚丙烯纤维体积率Vp=0.05%时，钢纤维体积率Vf从2%增加到4%，层裂强度提高了22.2%；聚丙烯纤维体积率Vp=0.1%时，钢纤维体积率Vf从2%增加到4%，层裂强度提高了21.6%。②钢纤维体积率Vf=2%时，聚丙烯体积率Vp从0.05%增加到0.1%，层裂强度提高了12.7%；钢纤维体积率Vf=4%时，聚丙烯纤维体积率Vp从0.05%增加到0.1%，层裂强度提高了12.1%。

从图5(b)中可知：①聚丙烯纤维体积率Vp=0.05%时，钢纤维体积率Vf从2%增加到4%，层裂强度提高了15.4%；聚丙烯纤维体积率Vp=0.1%时，钢纤维体积率Vf从2%增加到4%，层裂强度下降了9.6%。②钢纤维体积率Vf=2%时，聚丙烯纤维体积率Vp从0.05%增加到0.1%，层裂强度提高了12.6%；钢纤维体积率Vf=4%时，聚丙烯纤维体积率Vp从0.05%增加到0.1%，层裂强度下降了11.7%。

表3给出了图5(a)和图5(b)的分析结果。

表3 1～30 s-1应变率下层裂强度的增长幅度

当钢纤维体积率Vf为2%保持一定时，聚丙烯纤维可以提高HFRHSC的层裂强度，但随聚丙烯纤维体积率Vp的提高反而降低：Vp为0.1%时，层裂强度反而低于0.05%时的层裂强度；产生这种现象的原因是，钢纤维的体积率Vf为2%左右时，钢纤维在混凝土振捣均匀，能有效发挥其增强增韧性能；而Vf达4%时，HFRHSC的和易性降低，钢纤维难以均匀地分布在基体中，有纤维成团和蜂窝现象，基体内部孔隙增大增多、缺陷增多，层裂强度有提高较小和降低的可能。层裂过程先经历冲击压缩，孔隙易被压缩，产生损伤累积，甚至出现微裂缝，随着应变率的提高，损伤累积越大，这就可以较好地解释图5(a)和图5(b)中层裂强度随钢纤维体积率Vf的增大，提升幅度减小、降低的现象。

2.2 应变率对层裂强度的影响

表4给出了应变率(1～10 s-1)和应变率(20～30 s-1)水平下HFRHSC各组材料类型的强度值。

表4 1～30 s-1应变率下各类材料试验值

如表4所示，在应变率为1～10 s-1水平下，层裂强度与劈裂强度的比值从1.64增加到2.45；在应变率为20～30 s-1水平下，层裂强度与劈裂强度的比值从3.03增加到4.20。可见在动态冲击作用下，混凝土的层裂强度远大于静态劈裂拉伸强度。

比较图5(a)和图6，在1～10 s-1应变率水平下，未掺纤维的层裂强度较之于静态抗拉强度提高较小，掺入纤维后，强度得到了较大提升，C80V0P0、C80V2P0.05、C80V2P0.1、C80V4P0.05、C80V4P0.1的提高幅度分别为64%、119%、145%、114%、137%；对比图5(b)和图6，在20～30 s-1应变率水平下，C80V0P0、C80V2P0.05、C80V2P0.1、C80V4P0.05、C80V4P0.1的提高幅度分别为273%、276%、320%、148%、203%。

由于钢纤维对层裂强度的增强效应较为显著，而且层裂强度随应变率的增长，呈线性提高。考虑该因素后，做出了图7所示的，应变率在1～30 s-1水平下HFRHSC的层裂强度，从图中可以看到，在应变率为1～10 s-1水平下，层裂强度随应变率的增加而提高；在应变率为20～30 s-1水平下，层裂强度随应变率的增加而上下波动。总的来说，应变率水平为20～30 s-1的层裂强度大于应变率水平为1～10 s-1的层裂强度，这体现出了HFRHSC层裂强度的应变率敏感性，应变率敏感值为10 s-1左右。

图7 HFRHSC层裂强度Fig.7 Spalling strength of HFRHSC

2.3 层裂破坏形态分析

图8和图9给出了C80V2P0.05、C80V2P0.1在不同应变率水平下的层裂破坏形态，左端为试块自由端面，从上到下应变率逐渐增大，各类材料的具体破坏情况如表5所示。

图8 C80V2P0.05类型层裂破坏Fig.8 Spall fracture of C80V2P0.05

图9 C80V2P0.1类型层裂破坏Fig.9 Spall fracture of C80V2P0.1

表5 各类材料破坏形态

从图9、图10和表5分析可知，相同应变率水平下，未掺纤维的高强混凝土试块破损严重，一些小碎片飞离母体；掺有钢纤维和聚丙烯纤维的高强混凝土在层裂破坏后，能保持原来的整体性。从试块断面观察到，钢纤维都是拔离出基体而并没有拉断，说明钢纤维的抗拉强度大于钢纤维与基体之间的粘结强度；HFRHSC破裂面凸凹不平，素混凝土破裂面比较平齐，这是由于混凝土的不均匀性和难以密实性，加之有纤维的掺入，致使HFRHSC内部各处抗拉伸极限强度不尽一致，因此在遭受冲击加载时，极限抗拉强度较小的位置先破坏出现裂缝，然后各裂缝迅速向周围扩散，最终连成一断面脱离整体，该断面难以与自由端面平行，因此出现了裂缝走向杂乱的现象，图10给出了部分试块的层裂断面图。

图10 HFRHSC层裂破坏断面图Fig.10 Spall fracture section of HFRHSC

通过破坏形态可知：①层裂破坏位置与试块自由端的距离随应变率的提高而减小；②层裂次数随应变率的提高而增多；③理论上应与自由端面平行，而HFRHSC试块破坏结果为裂缝的走向趋势杂乱，基本不与自由端面平行，原因在于混凝土内部材料的不均匀性和不密实，纤维起到了阻裂、耗能作用。

3 结 论

(1) 采取波形整形器技术和万向头技术，得到了适合试验的理想入射波形。波形上升沿陡峭，下降沿较为平缓，且在此类波形的作用下，HFRHSC试块内部受力相对比较均匀。

(2) 钢纤维和聚丙烯纤维在HFRHSC基体内起到了阻裂、耗能作用；随着纤维体积率的增大，HFRHSC层裂强度增大，钢纤维体积率Vf对层裂强度的提高幅度大于聚丙烯纤维Vp对层裂强度的提高幅度。

(3) 未掺纤维的层裂强度较之于静态抗拉强度增幅较小，掺入纤维后，强度得到了较大提升；随着应变率的提高，HFRHSC层裂强度的提升幅度有了较大的提高，表现出明显的应变率敏感性。

(4) 素混凝土试块的断裂面相对平整，与素混凝土不同的是，HFRHSC试块断裂面凸凹不平、裂缝发展趋势无规律；层裂破坏位置与试块自由端的距离随应变率的提高而减小；层裂次数随应变率的提高而增多。

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