应用SHPB试验对超高性能重混凝土动态性能的研究

黄政宇，王若丁

应用SHPB试验对超高性能重混凝土动态性能的研究

黄政宇1, 2，王若丁1, 2

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082)

为研究超高性能重混凝土的动态性能，对钢砂等体积替代石英砂比例为0%，20%，40%，60%和100%，以及磁铁矿砂替代比例为80%的超高性能重混凝土进行分离式霍普金森(SHPB)压杆试验。试验研究超高性能混凝土的破坏形态、应力-应变关系曲线、动态抗压强度、应变率敏感性等受重骨料替代率变化的影响，及钢纤维对超高性能重混凝土的动态性能的影响。试验结果表明：各配合比应力-应变关系曲线呈同一趋势；随着钢砂掺量的提升，动态峰值应力先增大后减小，当替代率为80%时达到最高；钢砂的掺入，可以使UHPC在高应变率下保持较高的应变率敏感性；钢纤维的掺入使试件的破坏形态由碎渣状变为块状；在满足工作性能的前提下，钢纤维的掺量越高，抗冲击性能越好。

超高性能混凝土；钢砂；动态抗压性能；分离式霍普金森压杆(SHPB)；应变率敏感性

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是一种具有高强度、高韧性、优异耐久性的混凝土[1-2]，除被广泛应用于桥梁、建筑、市政、水利、海洋等工程外，超高性能混凝土由于其在高应变率冲击下会表现出与常规静态和准静态荷载显著不同的破坏形态[3]，还被应用于某些可能会受到高速冲击的结构如桥梁基础、核工程、军事防护措施等，此类建筑物对抗冲击性能有更高的要求。目前不少国内外学者对UHPC的动态性能研究做出了贡献，REN等[4]研究了应变率与DIF的关系，WU等[5-6]研究表明钢纤维体积掺量为2%时，对UHPC抗冲击性能提升效果最好。SU 等[7]研究了不同比例长、短钢纤维对UHPC抗冲击效果的影响。戎志丹等[8]研究了粗集料与UHPC动态性能的关系。近几年由于纳米材料的兴起，SU等[9]把纳米材料引入UHPC以提高其抗冲击强度的想法也为提高UHPC动态性能提供了新的思路。然而作为UHPC重要组分之一的细骨料，国内外却很少有探讨其与UHPC动态性能关系的研究。根据空腔膨胀理论[10]及王明洋等[11]研究，声阻抗的提高可有效减小混凝土侵彻深度，而侵彻深度对于防护工程的正常使用及防护效果有极大影响。钢砂和磁铁矿砂与石英砂相比，不仅具有良好的力学性能，更显著的区别是具有更高的密度和声速。因此，在国内外学者研究的基础上，作者用钢砂和磁铁矿砂等体积替代石英砂成功制备了超高性能重混凝土，大幅提升了UHPC的密度、声阻抗、抗压强度、弹性模量等静态力学性能，本文在此基础上，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)研究3种高速冲击下超高性能重混凝土的动态性能，这对UHPC在各种防护结构及极端条件中的应用具有十分重要的现实意义。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

水泥，P.O.42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰，灰色粉末状；硅灰，灰色粉末状；石英砂，20～40目，密度2.65 g/cm3；石英粉，白色粉末，325目，平均粒径50.5 μm；聚羧酸高效减水剂，减水率大于40%；镀铜钢纤维长度13 mm，分为平直型和端钩型；钢砂，20～40目，密度7.80 g/cm3；磁铁矿砂，20～40目，密度5.10 g/cm3。

1.2 试件制备

本文的配合比如表1所示，其中S0表示普通UHPC。S表示钢砂；M表示磁铁矿砂；0，1，2和3分别表示未掺入钢纤维、钢纤维的体积掺量为1%，2%和3%；H代表端钩状钢纤维；0，20，40，60，80和100代表重骨料代替石英砂的体积比例。

选用外径80 mm，壁厚5 mm，长度0.3 m的无缝PVC管，一端用AB胶与光滑平板固定，采用人工方式浇筑混凝土使其流动密实，成型48 h后拆模，热水(温度90 ℃)养护72 h后人工切割并打磨为φ70 mm×35 mm的圆柱体试件，如图1所示。

1.3 试验方法

按CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》[12]测定材料抗压强度；采用分离式霍普金森压杆测试材料动态性能，示意图如图2所示。试验基于弹性杆的一维波传播理论[13]，设备由入射杆及透射杆组成，试样放置于两杆之间，用高压氮气启动子弹以一定速度撞击入射杆，引起试样变形，反射波到达远离试样一端并反射回来经应变片记录计算应力-应变曲线。本次试验采用3种不同气压分别为1.0，1.2和1.5MPa，光电测速仪对应速度测得速度分别为11.5，13.6和15.5m/s。实验器材采用湖南大学绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室分离式霍普金森压杆，合金杆直径为100 mm，入射杆和透射杆的长度分别为6 000 mm和4 000 mm，应变片为120-3AA免焊接应变片，距试件位置为1 200 mm和900 mm，使用前两面打磨光滑并平行黏贴应变片以保证结果可靠。

图1 制备完成的试件

图2 分离式霍普金森压杆示意图

表1 试验配合比设计

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

试件在3种速度冲击下均发生了破坏，图3为试件在11.5m/s的速度冲击下的破坏形态，图4为S80-2组试件在3种冲击速度下的破坏形态。对比图3(a)～3(d)，可知超高性能重混凝土的破坏形态与掺入的骨料种类及比例有关，S0组表现为块状破坏，碎块较多且小，可以看到少部分石英砂骨料被击碎，随着钢砂和磁铁矿砂替代率的提升，碎块逐渐变大变少，未看到明显的钢砂和磁铁矿砂骨料被击碎的情况，且S80-2与M80-2相比，破坏后具有更好的完整性；对比图3(e)～3(i)可观察到未掺入钢纤维时，试件粉碎为碎渣状，随着钢纤维的掺入和含量的增加，试件的破坏形态有了明显的改变，试件破碎后依旧呈块状，变形能力大大提高，韧性也明显改善，而同样掺入2%钢纤维的试件即S80-2和S80-2-H，两者破坏形态相似；由图4可知，随着冲击速度的增大，即应变率的不断上升，试件的损伤程度加剧，试件由边缘破坏，中心出现裂痕变成被劈裂为多块, 最后试件被破坏为多个小碎块。综上可知，试件的骨料种类及掺量、钢纤维掺量、冲击速度对超高性能重混凝土动态冲击破坏形态有很大影响。

2.2 动态应力-应变曲线

超高性能重混凝土动态冲击测试结果如表2所示，采用动态增强因子对UHPC动静态抗压性能进行比较，DIF表示动态抗压强度与静态抗压强度之比，各试件DIF值均大于1，可以看出试件动态抗压强度均大于静态抗压强度[14]。这是因为按照混凝土试件破坏的原理，必定有一条或数条主裂缝优先扩散，主裂缝抑制了周围较小裂缝的发展。在静态条件下，主裂缝有足够的时间形成并扩展，最终贯穿试件，使其破坏为多块，而高速冲击破坏时，并非完全由主裂缝发展破坏，由于速度极快，主裂缝来不及通过薄弱区发展，而趋向于直线向外扩散，此时会穿过混凝土基体及骨料，同时伴随着大量微裂缝的产生，可以吸收更多的能量。

(a) S0；(b) S20-2；(c) S80-2；(d) M80-2；(e) S80-0；(f) S80-1；(g) S80-2；(h) S80-2-H；(i) S80-3

(a) 11.5 m/s；(b) 13.6 m/s；(c) 15.5 m/s

表2 超高性能重混凝土动态抗压强度

S40-215.5188.52063.761681.23 13.6162.21834.121681.09 11.5122.31814.81681.08 S60-215.5176.62205.841741.27 13.6155.52025.51741.16 11.5113.11752.861741.01 S80-215.5167.32583.331861.39 13.6137.32203.381861.18 11.595.42052.21861.10 S100-215.5164.42323.211761.32 13.6134.32133.211761.21 11.590.51852.931761.05 S80-015.5225.41675.111441.16 13.6184.21604.481441.11 11.5142.21574.221441.09 S80-115.5168.52083.661751.19 13.6145.41953.161751.11 11.5102.21834.151751.05 S80-315.5167.62736.431911.43 13.6135.52304.231911.20 11.593.11985.991911.04 S80-2-H15.5167.32664.841901.40 13.6138.22254.51901.18 11.591.81913.861901.01 M80-215.5189.62314.051721.34 13.6152.62033.991721.18 11.5121.31942.631721.13

图5表示不同钢砂掺量对超高性能混凝土动态抗压强度的影响。由图5可见，各试件在不同速度冲击下的应力-应变曲线都呈同一趋势，先近似线性上升，经过峰值后由于试件被击碎而快速下降。随着钢砂替代率的提升，超高性能重混凝土的峰值动态抗压强度呈先增大后减小的趋势，钢砂替代率为80%时，动态抗压强度最高，比S0最高提高了43%。掺量达到100%时，峰值强度反而降低主要是因为钢砂含量过多，试件产生沉降和钢纤维团结现象，内部缺陷增多，从而降低试件动态冲击性能。观察M80-2在不同速度下的动态抗压性能与S80-2对比，在各个冲击速度下，S80-2普遍比M80-2具有较高的峰值应力，说明钢砂的掺入对UHPC的抗冲击强度提升效果比磁铁矿砂更好；但两者动态增长值DIF和峰值应变变化较为相似，在同种速度冲击下，动态抗压性能有着相似的增长趋势。

对于对照组S0有如下规律：1) 随着应变率的增加，冲击抗压强度峰值不断提高；2) 在高应变率下，随着应变率的增加，冲击抗压强度峰值增幅减小，应变率敏感性逐渐降低。

图6对比不同纤维掺量及种类可以看出，随着纤维掺量的增加，超高性能重混凝土动态抗压强度不断提高，掺端钩纤维的超高性能重混凝土强度大于掺平直纤维的超高性能重混凝土，掺端钩纤维的超高性能重混凝土动态冲击下峰值下降更趋于平缓，体现出更大的韧性。这是因为钢纤维在UHPC中近似均匀且纵横交错分布，当微裂缝产生和发展时，周围都受到了钢纤维的抑制，钢纤维的掺量越大，抑制能力就更强，需要更多的能量才能使裂缝进一步扩大。纤维的掺量、形状、间距等都能对UHPC的保护有不同影响[15]，对比平直钢纤维，部分端钩钢纤维在UHPC微裂缝产生阶段时端钩部分能抑制裂缝产生，在微裂缝逐渐变为宏观裂缝时端钩纤维拔出需要比平直纤维更多的能量，这也使得UHPC有更长时间去反应以得到更高的动态抗压强度。

(a) S0；(b) S20-2；(c) S40-2；(d) S60-2；(e) S80-2；(f) S100-2

2.3 应变率与DIF的关系

对比表2中不同速度冲击下超高性能重混凝土的动态冲击强度可以看出，随着冲击速度的增大，超高性能重混凝土抗冲击强度不断增大，当速度由11.5m/s提升至15.5m/s时，抗冲击强度峰值平均提升26%，且峰值应变也随冲击速度的增大而增加，由此可知，UHPC材料具有应变率敏感性，在同种材料内，随着应变率的增大，动态抗压强度峰值和DIF不断增大，在不同钢砂替代率下进行分析，随着钢砂含量的增加，在相同的平均应变率下，DIF先增加后减小，在替代率为80%时最大。

(a) S80-0；(b) S80-1；(c) S80-2；(d) S80-3；(e) S80-2-H

图7表示DIF与应变率的关系在不同条件下的变化情况，图7(a)可以看出随着钢纤维掺量的提高，应变率-DIF曲线斜率不断增大，说明钢纤维的加入使得试件动态抗压强度随应变率升高的趋势越加明显，在较高的应变率下，高纤维掺量的超高性能重混凝土的依旧保持着很好的应变率敏感性；图7(b)也可看出随着钢砂掺量的提升，在高应变率下试件依旧保持着较高的DIF值。

(a) 纤维掺量对DIF-应变率的影响；(b) 钢砂掺量对DIF-应变率的影响

试件受到冲击破坏时，应变率敏感性归结于3个方面[16]：黏性效应、裂纹的演化和惯性效应。超高性能重混凝土抗冲击性能的提升主要在于：钢纤维的掺入，通过阻裂作用和桥接增强作用变相提高了水泥基的黏性，从而抑制裂缝的产生，吸收更多的能量。随着应变率的增大，试件的骨料和过渡区都会发生破坏，单条裂缝会变得平直而直接击碎并穿过骨料和水泥基体，钢砂有着较高的强度，不易被击碎穿过，有效的抑制了裂纹的演化。以上结论在有限的数据内得出，因此有一定的局限性，但也能反应在应变率为100～220 s-1时，超高性能重混凝土比普通UHPC有更好的应变率敏感性。

3 结论

1) 超高性能重混凝土在动态冲击下抗压强度比静态抗压强度高，且具有应变率敏感效应，随着应变率的增加，动态抗压强度、峰值应力、DIF不断增加。

2) 钢砂和磁铁矿砂的掺入，使UHPC动态抗压性能得到了提升，在高应变率下也保持很好的应变率敏感性，钢砂的提升效果比磁铁矿砂好，原因是骨料强度的提高以及改善了与骨料水泥的黏结界面，在相同速度的冲击下，磁铁矿砂UHPC与钢砂UHPC的动态增长因子DIF有相同的增长趋势。

3) 超高性能重混凝土的冲击破坏形态受骨料的种类及掺量、钢纤维的掺量及冲击速度3个方面影响，钢纤维的掺入可使超高性能重混凝土的破坏形态由碎渣状变为块状。

4) 在冲击荷载下，由于冲击速度极快，加载时间极短，UHPC中有更多的微裂纹形成，因此，钢纤维的掺入对于动态冲击性能的提升有很大帮助，且随着钢纤维的掺入量的增大，动态抗冲击性能增强；掺入端钩纤维的超高性能混凝土下降段比掺入平直纤维的更加平缓，表现出更好的韧性。

5) 随着钢砂掺量与钢纤维掺量的提升，UHPC的应变率-DIF曲线斜率不断增大，说明在相同应变率下，高钢砂掺量和高钢纤维掺量的UHPC的DIF值更高，具有更好的应变率敏感性。

[1] Richard P, Cheyrezy M. Composition of reactive power concretes[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(7): 1501-1511.

[2] SHI C J, WANG D H, WU L M, et al. The hydration and microstructure of ultra-high-strength concrete with cement-silica fume-slag binder[J]. Cement and Concrete Composites, 2015, 61: 44-52.

[3] WANG C, YANG C H, LIU F, et al. Preparation of ultra-high performance concrete with common technology and materials[J]. Cement and Concrete Composites, 2012, 34(4): 538-544.

[4] REN G M, WU H, FANG Q, et al.Effects of steel fiber content and type on dynamic compressive mechanical properties of UHPCC[J]. Construction and Building Materials, 2018, 164: 29-43.

[5] WU Z M, SHI C J, HE W, et al. Static and dynamic compressive properties of ultra-high performance concrete (UHPC) with hybrid steel fiber reinforcements [J]. Cement and Concrete Composites, 2017, 79: 148- 157.

[6] Othman H, Marzouk H, Sherif M. Effects of variations in compressive strength and fibre content on dynamic properties of ultra-high performance fibre-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2019, 195: 547-556.

[7] SU Y, LI J, WU C Q, et al. Effects of steel fibres on dynamic strength of UHPC[J]. Construction and Building Materials, 2016, 114: 708-718.

[8] 戎志丹, 孙伟. 粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响[J]. 爆炸与冲击, 2009, 29(4): 361-366. RONG Zhidan, SUN Wei. Influences of coarse aggregate on dynamic mechanical behaviors of ultrahigh- performance cementitious composites[J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(4): 361-366.

[9] SU Y, LI J, WU C Q, et al.Influences of nano-particles on dynamic strength of ultra-high performance concrete[J]. Composites Part B: Engineering, 2016, 91: 596-609.

[10] 晋小超, 杨华伟, 王志华, 等. 混凝土材料球形空腔膨胀的数值研究[J]. 太原理工大学学报, 2016, 47(3): 405-410. JIN Xiaochao, YANG Huawei, WANG Zhihua，et al. Numerical study on the dynamic spherical cavity expansion of concrete materials[J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2016, 47(3): 405-410.

[11] 王明洋, 邱艳宇, 李杰, 等. 超高速长杆弹对岩石侵彻、地冲击效应理论与实验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(3): 564-572. WANG Mingyang, QIU Yanyu, LI Jie, et al. Theoretical and experimental study on penetration in rock and ground impact effects of long rod projectiles of hyper speed[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(3): 564-572.

[12] CECS 13—2009, 纤维混凝土试验方法标准[S]. CECS 13—2009, Standard test methods for fiber reinforced concrete[S].

[13] Khosravani M R, Weinberg K. A review on split Hopkinson bar experiments on the dynamic characterisation of concrete[J]. Construction and Building Materials, 2018, 190: 1264-1283.

[14] Hassan M, Wille K. Experimental impact analysis on ultra-high performance concrete (UHPC) for achieving stress equilibrium (SE) and constant strain rate (CSR) in Split Hopkinson pressure bar (SHPB) using pulse shaping technique[J]. Construction and Building Materials, 2017, 144: 747-757.

[15] 何稳. 钢纤维在超高性能混凝土中增强增韧作用的研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2015: 1-63. HE Wen. The effect of strengthing and toughening of steel fiber on ultra high performance concrete[D]. Changsha: Hunan University, 2015: 1-63.

[16] 严成, 欧卓成, 段卓平, 等. 脆性材料动态强度应变率效应[J]. 爆炸与冲击, 2011, 31(4): 423-427. YAN Cheng, OU Zhuocheng, DUAN Zhuoping, et al. Strain-rate effects on dynamic strength of brittle materials[J]. Explosion and Shock Waves, 2011, 31(4): 423-427.

Dynamic behavior of ultra-high performance heavy concrete in split Hopkinson pressure bar testing

HUANG Zhengyu1, 2, WANG Ruoding1, 2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province, Changsha 410082, China)

The Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB) test was conducted on the ultra-high performance heavy concrete with the proportions of 0%, 20%, 40%, 60% and 100% of quartz sand replaced by steel sand and 80% of magnetite sand to study the dynamic performance of ultra-high performance heavy concrete. The experimental study on the failure model of ultra-high performance heavy concrete, stress-strain curve and the dynamic compressive strength, strain rate sensitivity and so on were changes in the aggregate replacement rate, and steel fiber on the properties of ultra-high performance heavy concrete dynamic impact.The test results show that the stress-strain relationship curves of all specimens show the same trend.With the increase of the content of steel sand, the dynamic peak stress increases first and then decreases, reaching the highest value when the substitution rate is 80%.The incorporation of steel sand can make UHPC maintain high strain rate sensitivity under high strain rate.The addition of steel fiber changed the failure form from powder to block.The higher the content of steel fiber, the better the dynamic impact resistance.

ultra-high performance concrete; steel sand; dynamic compression performance; split Hopkinson press bar (SHPB); strain rate sensitivity

TU528

A

1672 - 7029(2020)11 - 2798 - 09

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20191155

2019-12-20

国家自然科学基金资助项目(U1305243)

黄政宇(1959-)，男，湖南湘潭人，教授，从事高性能混凝土的研究；E-mail：zyhuang@hnu.edu.cn

(编辑 涂鹏)