活性粉末混凝土高温后冲击力学性能研究

王立闻，庞宝君，林 敏，张 凯，陈 勇，王少恒

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是由法国BOUYGUES公司在1993年研制成功的一种超高性能混凝土［1］。因其具有优良性能，因此在桥梁、海洋、核电、航天及军事防护等工程领域中具有广阔的应用前景。目前，已经成为研究的新热点［2－3］。

RPC制备时需掺入钢纤维以改善其脆性特性。随着RPC材料在工程中的应用，其服役环境也越来越复杂，存在高温后承受冲击载荷的情况，如火箭发射台导流槽等。这对RPC材料的抗火(高温)设计提出了更高的要求，即需要考虑高温后的抗冲击性能。

目前，钢纤维对高性能混凝土高温后静力学特性的影响规律研究较多。Luo等［4］的研究表明，高温后钢纤维混凝土的抗压强度高于素混凝土，并认为是混凝土基体内部损伤减少和钢纤维增强增韧作用综合影响的结果。Poon等［5］通过试验研究发现，钢纤维的掺入可明显地提高混凝土高温后的抗压强度和弹性模量。Chen等［6］的研究也认为，钢纤维的存在可减少高温后混凝土内部的损伤，降低高温后混凝土力学性能的损失。然而，钢纤维对RPC材料高温后冲击力学性能的影响研究还很少见到报道。

因此，研究钢纤维对RPC材料高温过火后冲击压缩力学性能的影响规律是必要的。本文的研究工作可为RPC材料的抗火设计提供实验依据与参考。

1 材料与实验方法

1.1 原材料与配合比

水泥:P·O42.5型硅酸盐水泥。硅灰:挪威埃肯公司生产的中质硅灰，比表面积为1.5×105cm2/g。石英粉:粒径分布为5～30μm，其中 SiO2含量大于99.6%。石英砂:109～212μm和212～380μm两种级配石英砂。钢纤维:高强超细钢纤维，平均lf=12 mm，df=0.2 mm，抗拉强度不低于1 000 MPa。减水剂:聚羧酸高效减水剂。

实验共制备 5 类试样，分别为 V0、V0.5、V1.0、V1.5和V2.0。其中V代表钢纤维，具体数值代表体积掺量。RPC基体的配合比见表1，减水剂的用量为2.3%(质量分数)，其它均为质量比。

表1 RPC基体配合比Tab.1 Mixture proportion of RPC matrix

1.2 试样制备过程

将原材料按配合比混合，放入水泥砂浆搅拌机中，逐渐加水搅拌，直至均匀。搅拌完成后，将拌合物浇注于内径36.5 mm，长度600 mm的模具中，在振动台上振动5 min成型。试件成型后移入养护室，24 h拆模，在60℃蒸汽中养护3天。根据SHPB实验对试样尺寸的要求，使用切片机将试件制成Φ36.5×23 mm的圆柱体，两端进行精磨，不平行度≤0.02 mm。

最后将制备好的试样烘干后放入加热炉中加热，由于加热温度达到800℃以上时，试样常出现爆裂现象，较难获得完整的试样，因此本文的过火温度选为400℃、600℃及800℃。升温方式:最初电炉以全功率输出，最高升温速率可达16℃/min。随温度升高，升温速率逐渐降低，快达到预定温度(比预定温度低100℃左右)时，电炉进行自动整定，最低升温速率仅为1℃/min。达到预定温度时保持该温度1 h，然后打开炉门自然降温，3 h后取出试件并静置于常温下，24 h后进行试验。制备好的试样如图1所示。

图1 试样外貌Fig.1 Pictures of specimens

1.3 混凝土SHPB实验

实验在哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心的Φ40 mm SHPB装置上进行的。压杆和子弹的材料均为高强度合金钢，入射杆、透射杆长度均为1 800 mm，子弹长度300 mm。图2为SHPB实验装置示意图。

图2 SHPB实验装置示意图Fig.2 Sketch of SHPB experiment

传统SHPB实验技术基于一维假设和应力均匀性假设［7］。本文选用铅片作为波形整形器，形状为6 mm×6 mm×1 mm的长方体，实验时放置在入射杆前端面。图3所示为应变率80 s－1时典型入射波、反射波及透射波波形图。可见，反射波有一明显的平台段，占整个有效加载段的50%左右，说明在试样的整个加载过程中，大部分时间内实现了近似恒应变率加载。冲击加载的平均应变率均控制在75～85 s－1。

图3 典型的SHPB实验波形Fig.3 Typical SHPB experiment signal

2 实验结果及分析

2.1 应力应变曲线分析

图4所示为高温过火前后试样冲击压缩应力应变曲线，为了便于分析，将描述应力应变曲线特征的主要力学参数汇总成表2。

2.1.1 动态抗压强度

文中动态抗压强度是指应力应变曲线峰值应力值，用符号D表示。而动态抗压强度折减系数是指试样高温后动态抗压强度与常温下动态抗压强度的比值，表达式为:

式中:KD表示动态抗压强度折减系数;DT表示高温后动态抗压强度值;D20表示常温下动态抗压强度值。

图4 高应变率(75～85 s－1)下RPC试样冲击压缩应力应变曲线Fig.4 Dynamic compression stress-strain curves for RPC specimens under high strain rate(75 ～85 s－1)

表2 高应变率(75～85 s－1)下试样高温过火前后动态力学性能测试结果Tab.2 Dynamic testing results of specimens before and after exposure in high temperature under high strain rate(75 ～85 s－1)

分析表2中的数据可以发现，随着过火温度的升高，RPC试样的D值均有不同程度的降低。图5所示为RPC材料在常温下、400℃、600℃及800℃高温过火后RPC基体微观组织结构的SEM扫描电镜图片。可见，常温下水泥石结构非常均匀、密实，无裂纹。400℃高温过火后，基体结构开始有所变化，并因蒸汽压的存在产生了微观裂纹。当过火温度达到600℃时，裂纹宽度进一步增加。而800℃高温过火后，基体组织结构已经破碎。高温后RPC材料内部微观组织结构的劣化是其宏观力学性能降低的根本原因。

图5 RPC基体SEM扫描电镜图片Fig.5 SEM photos for RPCmatrix

图6 和图7所示分别为高温后动态抗压强度及折减系数随过火温度的变化规律。

由图6可见，无论高温作用与否，掺加钢纤维的试样D值均要高于V0试样。说明钢纤维在常温下及高温后对RPC材料均起到了增强作用。由表2中数据可知:

(1)常温下，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 试样较 V0试样分别提高了 8.8%、19.7%、10.1%、13.7%。

(2)400℃高温后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 试样较 V0 试样分别提高了 8.4%、18.0% 、6.7%、13.8%。

(3)600℃高温后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 试样较 V0 试样分别提高了 20.9%、28.1%、23.1%、21.1%。

(4)800℃高温后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 试样较 V0 试样分别提高了 16.7%、35.1%、6.7%、24.8%。

由图7可见，600℃和800℃高温过火后，掺加钢纤维试样的KD值整体上大于V0试样。

2.1.2 能量吸收能力(韧性)

从宏观角度考虑，韧性可以定义为材料从加载到失效为止吸收能量的能力。因此，韧性是材料强度和延性两种机制的综合效果，所以用其评价材料抗冲击性能的优劣更为合理。

参考 Taerwe［8］和 Nataraja［9］文献中的说明，将韧性(Toughness)定义为指定应变值应力应变曲线下包围的面积，用符号T表示，计算方法如图8所示。将试样韧性指标T值与动态抗压强度指标D值的比值定义为相对韧性(Specific Toughbess)，用符号ST表示。ST可以反映出应力应变曲线峰值应力点过后塑性流动的变化趋势。ST值越大，说明曲线越平缓，塑性流动现象越明显。而韧性折减系数KT是指试样高温后韧性与常温下韧性的比值。在本文研究中，计算韧性指标T时指定的应变值为0.020。

图6 D随过火温度的变化规律Fig.6 Variation of D with temperature

图7 KD随过火温度的变化规律Fig.7 Variation of KD with temperature

图8 韧性指标T值计算方法示意图Fig.8 Sketch of calculation method for toughness T

图9 所示为高温后韧性T随过火温度的变化规律。可见，400℃高温后，韧性指标T值不降反升。这是因为高温虽然降低了试样的D值，但也同时提高了试样的变形能力，体现在应力应变曲线上即为峰值应力后的塑性流动性能提高。而韧性是材料强度和延性两种机制的综合效果。因此，T值随温度下降的速度低于D值。当过火温度达到600℃时T值明显降低。800℃高温后试样的T值已经降为原来的1/3左右。这是因为高温后试样动态抗压强度的降低幅度大于其塑性流动性能的增长程度。同时可以看到，常温下及高温后掺加钢纤维的试样T值均要高于V0试样。说明钢纤维在常温下及高温后对RPC材料均有增韧的作用。

图10所示为高温后韧性折减系数KT随过火温度的变化规律。可见，同KD相比，韧性折减系数KT值相对较大，这是由高温后试样变形能力增强引起的。同时可见，400℃、600℃和800℃高温后，掺加钢纤维试样的KT值整体上都低于V0试样，即高温后钢纤维的增韧作用不如常温下表现明显。这是因为高温作用已经使试样的变形能力提高了，因此钢纤维的增韧作用相对就变弱了。且由图9可见，过火温度越高，钢纤维掺量试样与V0试样韧性指标T值就越接近。说明随着过火温度的升高钢纤维的增韧作用变弱。

图11所示为相对韧性 ST的变化规律。可以发现:

(1)无论高温作用与否，掺加钢纤维试样ST值均大于V0试样，说明钢纤维对RPC材料韧性指标T的增强方式不仅仅提高了其动态抗压强度值，同时还对峰值应力后塑性流动性能有影响，使其增强。且常温下塑性流动性能的增加幅度大，高温后增加幅度小。

(2)随着过火温度的升高，试样的ST值均相应地增大。说明高温作用对试样变形能力的增强体现在塑性流动性能的提高上。正是高温作用对塑性流动性能的提高削弱了钢纤维在这方面的贡献。

图9 T随过火温度变化规律Fig.9 Variation of T with temperature

图10 KT随过火温度变化规律Fig.10 Variation of KT with temperature

图11 ST的变化规律Fig.11 Variation of ST

2.2 冲击破坏分析

图12 ～图14所示分别为常温下、600℃及800℃高温过火后试样的冲击压缩破碎模式。从破碎形式上看，试样多呈现边缘开始剥落，由外及里，逐渐向芯部发展的趋势。但高温后试样因内部组织的损伤及物理化学变化表现出粉碎性的破坏形式。从破碎程度上看，掺加钢纤维的试样多呈裂而不散的状态，且随着钢纤维掺量的增加，破碎程度逐渐降低。试样组织结构因高温产生损伤。因此，相同钢纤维体积掺量下，800℃高温后的试样破碎程度最高。

图12 常温下试样冲击压缩破碎模式Fig.12 Fragmentation modes of samples within room temperature

2.3 能量分析

本文实验中使用的冲击加载设备为SHPB装置，由粘贴在压杆上的应变计得到的波形信号，可以获得从开始加载到卸载结束整个过程中压杆上的入射能WI、反射能WR和透射能WT，从而推算出加载过程中试样吸收的能量值，计算公式如下［10］:

试样在冲击压缩过程中所吸收的能量WL可由如下公式计算得到:

为了衡量试样在相同冲击条件下能量吸收的效率，定义能量吸收率α，计算公式如下:

将式(2)和式(3)代入式(4)中，可得:

由入射波、反射波及透射波原始数据经式(3)和式(5)计算可得到试样吸收能量和能量吸收率时程曲线。

图15和图16所示分别为常温下不同钢纤维体积掺量试样吸收能量和能量吸收率时程曲线。图17和图18分别为800℃高温后不同钢纤维体积掺量试样吸收能量和能量吸收率时程曲线。

由图15和图17可见，无论常温下还是800℃高温后，掺加钢纤维后试样的能量吸收能力都得到了提高。对比发现，800℃高温后试样的能量吸收能力低于常温下。究其原因，在相近的冲击条件下，造成能量吸收能力不同的根本原因在于能量吸收率的不同。

图15 常温下试样吸收能量时程曲线Fig.15 Time-history curves of absorbed energy for specimens within room temperature

图16 常温下试样能量吸收率时程曲线Fig.16 Time-history curves of energy absorbency for specimens within room temperature

图17 800℃高温后试样吸收能量时程曲线Fig.17 Time-history curves of absorbed energy for specimens after exposure in 800℃

图18 800℃高温后试样能量吸收率时程曲线Fig.18 Time-history curves of energy absorbency for specimens after exposure in 800℃

由图16和图18可见，常温下及800℃高温后V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 试样的能量吸收率总体上都高于V0试样。这是因为，活性粉末混凝土材料拉压比小，脆性强，当试样受到冲击压缩载荷后内部裂纹扩展迅速，常出现崩碎性破坏，使得试样有效截面积显著降低，能量吸收能力也就明显下降。当试样中掺入钢纤维后，由于钢纤维的存在使得试样在承受冲击压缩载荷后内部裂纹扩展受到限制，钢纤维较好地起到了阻裂的作用，使得试样保持较高的有效截面积。因此，掺加钢纤维的试样能量吸收率高于V0试样。

3 结论

(1)随着过火温度的升高，RPC材料动态抗压强度均有不同程度的降低。通过SEM扫描电镜观察，认为材料微观组织结构高温过火后的损伤是其动态抗压强度降低的根本原因。

(2)钢纤维在常温下及高温后对RPC材料动态抗压强度均有增强的作用。

(3)高温后动态抗压强度指标的损失程度高于韧性指标。因为高温作用虽然降低了RPC材料的动态抗压强度，但也同时提高了塑性流动性能。

(4)钢纤维在常温下及高温后对RPC材料的韧性指标均有增加的作用，但高温后钢纤维的增韧作用没有在常温下明显。

(5)对RPC材料冲击压缩过程进行能量分析，发现常温下及高温后钢纤维试样的能量吸收率较高，因此其能量吸收能力也较强。相近冲击条件下，能量吸收能力取决于能量吸收率的大小。

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