工程水泥基复合材料动态力学性能及抗爆抗冲击能力研究进展

杨谨鸿,李秀地,王起帆,罗银剑

(陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331)

0 引 言

混凝土因其高抗压强度和易浇筑成型的特点被广泛应用于各类军民建筑工程。而普通混凝土的准脆性特质尤其是在拉伸状态下的脆性破坏行为，使得爆炸等强动载对建筑物的破坏十分严重——即便没有造成毁灭性倒塌，混凝土在冲击中形成的层裂碎片喷射飞溅，也会给周围的人员和设备带来极大的安全隐患。因此，研发具有较强抗爆炸冲击能力的特殊水泥基材料，是军民工程防护领域亟须研究的重要课题，具有极大的军事意义以及社会效益。

工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)是20世纪90年代美国密歇根大学的Li教授研究团队[1]开发出的一种独特的具有超高延性和韧性的纤维增强水泥基复合材料，其极限拉伸应变最高可达8%，同时具有稳态多缝开裂和拉伸应变硬化的特征。图1展示了典型ECC应力-应变曲线及其裂缝宽度控制能力，图2展示了ECC优异的弯曲变形能力。目前，ECC的静态力学性能及耐久性已经得到了较为全面的研究，各国学者对其也有了基本的定义：使用纤维体积掺量在2%左右的随机乱向短切纤维增强，受拉时裂缝稳态开裂，具有显著应变硬化特征，极限受拉状态下基体密集产生宽度不超过100 μm微裂缝，极限拉应变能稳定达到3%以上的水泥基复合材料[1-3]。同时，ECC设计理论与制备工艺也日趋成熟，并在实际工程中得到了应用[3-4]。

图1 典型ECC应力-应变曲线及裂缝宽度控制图[5]Fig.1 Tensile stress-strain curves and tight crackwidth control of ECC[5]

图2 ECC薄板抗弯试验[6]Fig.2 Bending test of ECC thin plate[6]

ECC良好的延展性、应变硬化能力及其在微裂缝稳态开展中所展现的能量吸收能力，引起了研究者对ECC抗爆抗冲击能力的研究兴趣[7]。本文在概述ECC发展背景及性能设计的基础上，重点针对ECC抗爆抗冲击性能，综述了相关动态力学性能及冲击爆炸研究结果，以期为ECC抗爆抗冲击能力的开发与应用提供参考。

1 ECC概述

正如吴中伟院士[8]所指出——以纤维增强为核心的复合化是提升水泥基材料性能的重要途径。目前，纤维增强是国内外学者增强混凝土抗拉强度、提升混凝土延展性的主要研究方向。普通的纤维增强混凝土(FRC)通过在水泥基体中添加纤维，一定程度上提高了材料抗拉强度、抗弯韧性和耐久性，但在拉伸载荷下其应变能力并未得到明显提高，仍存在拉伸软化行为。而近年来研制出的高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)，虽然将FRC的准脆性转变为类似金属的延性应变硬化行为，但较大的纤维体积掺量导致加工难度大、成本高，限制了这种材料的实际应用。

作为FRC的特殊分支，ECC在理论设计上摒弃了普通FRC所基于的“复合材料理论”和“纤维间距理论”[9]。国际水泥混凝土小组开创性地将断裂力学概念应用于FRC分析的基础上，Li等[10]于1992年提出了基于微观力学和纤维桥联理论的 ECC材料设计理论，使ECC的延展性和韧性较FRC有了颠覆性的提升。图3展示了ECC、FRC和素混凝土(PC)的拉伸破坏模式[11]。

1.1 应变硬化设计及条件

Li等[1]在对ECC进行性能设计时，充分利用了微观力学这一有力工具。微观力学作为ECC设计理论的基础，将宏观特性与微观结构联系起来，使复合材料的微结构定制以及材料优化得以实现。而ECC英文全称中“Engineered”一词是为了体现出ECC性能设计所涉及的成分定制和优化方法。

经Li等[1，10]归纳发展的准应变硬化模型及其补充性能参数是目前ECC 材料设计理论的基础。该理论认为，对纤维桥联作用下的裂缝扩展过程进行微观力学分析与设计，使ECC在拉伸荷载下产生多缝稳态开裂行为是提升ECC 延展性并赋予其良好应变硬化能力的关键[10]。同时，基于理想单轴拉伸状态下桥联纤维平均应力(σ)与裂纹开度(δ)之间的关系曲线(见图4)，该理论提出了实现应变硬化的两个条件：强度准则和能量准则[1]。

图3 不同水泥基材料的拉伸破坏模式[11]Fig.3 Different tensile failure modes incementitious composites[11]

图4 典型ECC单轴拉伸状态下桥联纤维应力-开度关系曲线[9]Fig.4 Typical σ-δ constitutive relation of ECC[9]

1.1.1 强度准则

强度准则又称为初始开裂准则，表示为：

σcr<σ0

(1)

即基体初始开裂强度σcr必须小于纤维的最大桥联强度σ0。若满足该要求，纤维便可在基体达到开裂强度产生裂缝的同时，发挥桥联作用，承担起裂缝处的应力，并依托与基体间的界面粘结作用将应力传递至附近未开裂基体。当受力不断加大时，循环重复“基体开裂—纤维桥接—应力传递—基体开裂”这一过程，直至微裂缝达到饱和，出现大裂缝开裂破坏。显而易见，若不能满足强度准则，传递应力的纤维在基体开裂时即被拉断，也就无法发生后续的多缝连续开裂过程。

1.1.2 能量准则

能量准则又称为稳态开裂准则。裂缝扩展方式与纤维受力后是从基体拔出还是自身断裂有关，而这一过程首先应满足裂缝扩展过程中的能量平衡：

(2)

即基体受外力产生的能量可平衡转化为桥联纤维抵抗裂纹扩张所耗能量和破坏裂缝尖端强度Jtip所耗能量。公式(2)中：σSS为稳态开裂极限应力，δSS为与σSS相对应的裂缝开度，且等号左边部分称为补足能(complimentary energy，即图4中阴影部分面积)。同时从图4中可以得出补足能的最大值J′b为：

(3)

式中：δ0为纤维最大桥联强度σ0对应的裂缝开度。

为保证裂缝扩展过程的稳定状态，能量准则还规定裂缝尖端强度耗能应小于最大补足能：

Jtip

(4)

Li等[1]认为，只有当补足能足够大，裂缝才能在保持纤维桥联作用的条件下稳定扩展，并形成多缝开裂；反之，裂纹会沿着类似于格里菲斯裂纹(见图5)扩展过程进行横向扩展，在裂纹尖端形成软化区域，并发生普通FRC常见的应变软化行为[10]。为得到较大的补足能，必须设计适当的纤维-基体界面的粘结强度：界面粘结较弱使纤维易于拔出，导致σ-δ曲线中σ0偏小；界面粘结过强使纤维易被拉断，导致裂缝扩展宽度偏小。这两种情况都会导致最大补足能J′b的降低[12]。

图5 格里菲斯裂纹示意图[1]Fig.5 Griffith type crack[1]

1.2 ECC性能的影响因素

基于断裂力学和变形机制构建的微观力学模型和前述ECC设计理论中的控制条件，可以通过适当调整性能参数，设计出具备多缝稳态开裂效果和应变硬化行为的ECC，并在保持低纤维体积分数的情况下进一步提高其拉伸初裂强度、极限拉伸强度和极限拉伸应变。这需要均衡考量纤维、基体以及纤维-基体界面对纤维桥联和应力传递的影响与作用。

1.2.1 纤维的影响

作为ECC的增强材料，纤维是发挥桥联作用的主体，而纤维类型、体积掺量、几何形状、长径比以及强度等各项参数，对ECC性能产生了直接的影响[10]。就纤维类型而言，目前研究较多的ECC增强纤维有聚乙烯(PE)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维和聚丙烯(PP)纤维，钢纤维作为混杂纤维在ECC中也有应用[13-14]。高模量纤维(如钢纤维)，因为受拉形变较小，对基体约束更强，通常可使ECC具有较高的极限强度和较低的应变能力，而相对较低模量的纤维(如PE和PP纤维)则表现出相反的作用[15]。单纤维拔出试验表明纤维长而细有利于滑移硬化的产生，但同时，纤维过长会增大其断裂趋势，并对搅拌和分散造成困难[3]。另外，纤维的乱向分布均匀程度也对ECC的能量吸收能力和增韧效果有影响[16]。

1.2.2 基体的影响

基体对ECC性能的影响来自基体的抗拉强度、断裂韧性和弹性模量等，而水灰比、砂灰比是这些参数的主要控制因素。水灰比减小会导致抗拉强度、断裂韧性的提高；细骨料的存在虽然可使基体弹性模量增加，但同时也会增大其断裂韧性和抗拉强度[11]，从强度准则的讨论中可知，这对ECC的应变硬化行为和拉伸延性是不利的；另外，砂的存在和水灰比的增加还会降低界面粘结强度[17]。因此，必须适当控制水灰比和细骨料数量，从而调整基体韧性和界面粘结强度至合适的范围，才能在改善ECC弹性模量的同时，保持其延展性和应变硬化能力。

1.2.3 界面的影响

纤维-基体界面间的粘结作用主要包括化学粘结和摩擦粘结。在FRC中影响不大的纤维脱粘能，却在ECC中发挥着重要作用。脱粘过程伴随着显著的能量吸收，使ECC具有极高的损伤容限和能量耗散能力。另外，纤维滑移拔出破坏是ECC受拉裂缝稳态开展过程中的重要特征，ECC拉伸应变硬化行为正是纤维拔出过程中产生滑移硬化效应的宏观表现。所以，设计合适的界面粘结强度以保证纤维与基体间的摩擦力处于适当范围至关重要。

使用PVA纤维制备ECC时，因PVA具有亲水性，其分子链中存在的羟基与基体形成非常强的化学键，使粘结强度过高，纤维受拉时难以脱粘滑移导致断裂失效[18]。故在 ECC 设计中常对 PVA 纤维表面进行涂油处理以减小界面粘结。而其他不亲水纤维(如 PE、PP 纤维等)与基体间仅存在摩擦粘结，纤维易于拔出而无法发挥增强作用，需要通过等离子处理以增强其与基体的粘结强度[1]。

2 ECC材料动态力学性能

抗爆抗冲击材料，必须在高应变率下同时具有足够的延展性和强度，才能保证防护结构在承受爆炸冲击等高速荷载时具备足够的变形能力。大变形与允许局部损伤的配合作用，可以最大限度地耗散能量，减少结构及构件发生灾难性整体破坏的可能性。众所周知，在准静态拉伸载荷下，ECC具有较强的延展性和突出的裂缝宽度控制能力，还具有优异的能量吸收能力、较低的缺口敏感性以及非常高的损伤容限。这些特点为ECC在防护领域的应用提供了可能，同时，研究者在ECC动态力学性能和应变率效应研究中所取得的成果也为其实际应用奠定了基础。

2.1 动态压缩性能

Hopkinson杆是实验室内常用的高速加载装置。它通过波形加载，可以避免直接撞击和爆炸等加载方式带来的不确定性[19]。

Kai等[20]用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置对ECC材料进行了冲击压缩试验，得到了不同应变率下的应力-应变关系。结果表明，随着应变率增大，ECC的极限强度和相应应变均增大，说明ECC压缩性能对应变率敏感。在同普通砂浆动态压缩性能的对比试验中，Tan等[21]发现ECC比砂浆更有韧性。由于泊松效应，试样受压倾向于横向膨胀，最后因拉伸强度不足而破坏。当压缩应变率在480 s-1左右时，ECC试样因其应变硬化行为和超强应变能力，仅产生多个微裂纹；而砂浆试样出现大裂缝，整个试样破碎成碎片。

Chen等[22]利用直径为40 mm的SHPB装置，研究了冲击作用下掺有粉煤灰的ECC动态抗压强度、动态增长因子(DIF)和能量吸收能力。结果表明，在200～400 s-1的高应变率下，ECC动态冲击强度以及能量吸收能力都表现出明显的应变率效应，DIF在1到1.6之间，而冲击峰值应变随着应变率的增加变化不显著。尽管ECC的动态冲击强度不是很高，但其承受冲击载荷的变形能力相对显著，极限压应变可达2%，是普通混凝土的4～6倍。同时，试样吸收的能量随着压缩应变和应变率的增加而增加，ECC完全破坏时吸收的能量在2 070～3 000 kJ/m3之间，约为玄武岩纤维混凝土的2倍。从试验得出的应力-应变曲线可以看出，当试样弹性变形后、动态抗压强度达到峰值时，有一个明显的平台范围，即动态压缩过程存在塑性流动现象。这说明了ECC并不会像普通水泥基材料那样在短时间内脆性压裂。另外，试验还发现虽然粉煤灰有利于改善ECC的动态应变能力，但是粉煤灰含量增大会使ECC动态抗压强度大幅降低(粉煤灰质量分数由50%增加至80%，ECC动态抗压强度减半)。因此，为了获得较好的冲击性能和符合工程要求的抗压强度，粉煤灰含量是一个需要控制的重要参数。

2.2 动态拉伸性能

从应变率为10～50 s-1的单轴拉伸试验，到应变率为150 s-1的Hopkinson杆震裂试验，研究者发现ECC动态拉伸性能也具有应变率敏感性[23-24]。

为了进一步定量研究ECC动态拉伸性能及其影响因素，Curosu等[25]设计了三种ECC试样：常规ECC(PVA-ECC)、高密度聚乙烯纤维ECC(PE-ECC)以及由高强度基体和高密度聚乙烯纤维组成的高强ECC(PE-HSECC)，并通过改进的Hopkinson杆对试样进行动态加载。该装置可以产生具有特定的持续时间、振幅和上升时间的梯形纵向拉伸波。试验发现，在抗拉强度方面，PVA-ECC动态抗拉强度最低，而PE-ECC的动态抗拉强度(9.9 MPa)虽然不是三种试样中最高的，但其增幅最大，DIF达到了2.8。这与先前单纤维拔出研究[26]得出的结果非常一致：PE纤维与普通强度基体之间的摩擦粘结作用对应变率的敏感性是其他纤维基体组合中最强的。同时，与PVA纤维相反，PE纤维在应变率增加的情况下能确保粘结强度发展的可预测性，这使得PE-ECC的抗冲击性能能够通过简单的材料设计(比如调整基体组成)来实现。

试验还发现，虽然PVA-ECC和PE-HSECC在准静态载荷下具有相当大的延展性，但是高应变率对其应变能力均产生了负面影响。PE-HSECC的平均极限应变仅为1.2%，为准静态试验中的三分之一。Curosu等[25]认为，这是因为动态载荷下的界面粘结强度的增加幅度远超纤维拉伸强度的增加幅度，导致纤维在裂纹张开过程中过早断裂从而使延展性降低。另外，在高应变率下，除PE-HSECC因应变能力显著下降导致断裂功下降外，另外两种ECC的断裂功均显著增加，其中PE-ECC断裂功(283.6 kJ/m3)及其增幅(5.3倍)均为最高。

针对PE-ECC在高应变率下展现出远超PVA-ECC的优异性能，为了进一步研究其动态抗拉性能并准确表征其在拉伸冲击载荷下的力学行为，Heravi等[27]设计了一款重力驱动的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)装置，弥补了Hopkinson杆震裂试验因输入波波长较短而难以准确测量高韧性材料性能的缺陷，并在200 s-1的拉伸应变率下，测量了PE-ECC的性能(见表1)。从表1中可以看出ECC第一裂纹应力、极限应变和断裂功在动态情况下增强明显。

表1 准静态和动态拉伸条件下PE-ECC性能参数[27]Table 1 Performance parameters of PE-ECC under quasi-static and dynamic tensile conditions[27]

通过试验，Heravi等[27]得出了与Curosu等[25]一致的结论：冲击载荷下ECC裂纹桥联能力不仅取决于基体的动态抗拉强度，还取决于纤维-基体界面的动态粘结强度。所以在设计抗冲击ECC时，考虑界面粘结强度的应变率敏感性十分重要。在高应变率情况下，PVA纤维和基体之间的强化学键会发生特殊变化，导致材料动态开裂强度降低并产生应变软化行为；与之相反，虽然PE-ECC中较弱的界面摩擦粘结使其静态抗拉性能较为普通，但当应变率较高时，裂纹桥联强度显著增强而基体抗拉强度轻微增加，两者共同作用引起多重裂纹的大量增加，使得PE-ECC在应变能力和断裂功方面表现优异，甚至超过了PVA-ECC[26]。

2.3 拉伸应变率效应

由前述可知，ECC对应变率的变化相当敏感，且因纤维不同而产生不同的效果。目前，关于拉伸应变率增加对PVA-ECC材料动态响应及性能的影响，已取得较多研究成果。

大量拉伸试验[28-29]表明，当应变率从准静态(10-5s-1)增加到低速冲击(10-1s-1)时，ECC抗拉强度显著增加而应变能力少许降低。研究者认为应变能力降低是由于界面化学粘结的动态增强超过纤维拉伸强度的动态增强，导致应变率增大时纤维断裂加剧，从而削弱了ECC的延展性[24,30]。

随着应变率进一步增加至10～50 s-1，ECC抗拉强度和应变能力均有所增加，破坏模式也由明显的纤维断裂变为纤维拔出[24]。但是与准静态单轴试验不同的是，多重开裂现象不够明显，这一情况可用纤维的拔出及塑性变形和试样的内部损伤来解释[31]。另外，研究者也逐渐认识到，随着应变率增加，纤维更加倾向于断裂而不是拔出。

Mechtcherine等[31]发现ECC在准静态载荷下观察到的延性和高能量吸收能力，在140～180 s-1的高应变率载荷下得以保持甚至改善。ECC拉伸强度应变率效应显著，DIF达到了6.7，而常规混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土的DIF分别为6、3.8和5.3。在能量吸收方面，虽然断裂能的DIF(2.4)与常规、高性能或超高性能混凝土相似，但是考虑到总断裂能，ECC在动态荷载下性能优势明显。Mechtcherine认为高应变率下ECC性能提高与大量微裂纹的发展以及纤维拔出过程前和过程中发生的大范围塑性变形有关，并指出ECC材料设计应该根据预期的加载速率进行调整。

Yang和Li[32]进一步研究了基体、纤维及其界面各自的应变率敏感性。结果表明，基体的断裂韧性、PVA纤维的拉伸强度和杨氏模量以及界面化学粘结强度均随着加载速率的增加而增加，但在较高应变率下，各组分性能变化并不均衡，从而影响了ECC性能的发挥。所以在进行ECC材料的抗爆能力开发时，必须考虑各个组分应变率效应的相关程度和影响趋势，并将应变率效应纳入试验影响因素以及材料数值模型，以便能够在爆炸冲击研究中得出材料的真实响应行为。

2.4 温度效应

炸弹爆炸伴随着大量热量释放，温压弹持续释放的高温甚至能融化钢铁[33]；而民用建筑遭遇的爆炸，往往也与火灾、燃料燃烧有关。ECC中常用的PE纤维和PVA纤维熔点分别为110 ℃和230 ℃，耐热性较差。已有研究表明，经150 ℃加热后的ECC试样所承受的冲击破坏能量比未加热试样低11%[34]。所以，在研究ECC材料抗爆能力的同时，有必要考虑高温对材料性能的改变，以及高温与高应变率的耦合效应。

Magalhães等[35]测试了经250 ℃高温预处理的ECC的残余拉伸性能。发现高温过后，ECC应变能力由2.98%降至0.24%，而拉伸强度从2.90 MPa降至0.92 MPa。Mechtcherine等[30]在150 ℃温度环境下得到了同样的下降趋势：强度、应变能力和断裂功随着温度的升高而降低，并且发现，处于高温中的ECC的拉伸强度比高温处理后的残余强度更低。齐宝欣等[36]对经不同温度处理的ECC梁分别进行了落锤冲击试验，发现未加热情况下可承受10次冲击的ECC梁，经100 ℃和200 ℃处理并恢复室温后，可承受冲击次数降为7次和1次，而对于处于230 ℃的试样和加热至500 ℃后恢复至室温的试样，1次冲击即可使其完全断裂。

显然，高温损伤使ECC丧失了高强度、耐疲劳和强韧性的特性以及抗冲击能力。对此，在具有高热量释放背景的爆炸防护研究中，ECC的热敏感性值得谨慎考虑。

3 ECC结构的防护性能

当物体受到冲击时，强脉冲荷载会在物体中产生含有大量能量的压缩波，压缩波在冲击远端自由面因阻抗不同产生反射，经叠加后产生净拉伸应力[31]。而当净拉伸应力超过物体的动态拉伸强度时，就会发生拉伸破坏，又称层裂或震塌破坏[37]。显然，对于混凝土这类准脆性材料，动态拉伸强度是其抗冲击性能的控制因素。

ECC优异的动静态力学性能、较强的韧性以及突出的能量吸收能力，使其在防护工程应用上具有很大的前景，相关防护性能试验等研究也随之展开。目前，材料防护性能的研究主要集中于冲击荷载下结构的整体响应和局部响应两大方面。而具体的试验一般有低加载速率的落锤试验、摆锤试验和高加载速率的射弹试验、爆炸试验。当被较大的物体低速撞击或远场冲击波冲击时，目标的整体响应占主导地位；而高速射弹或近场爆炸对目标的荷载作用是局部集中的，局部响应占主导地位[15]。

3.1 抗冲击试验

3.1.1 低速冲击

为量化ECC对防冲击板性能的提高程度，Zhang等[7]对分别由钢筋混凝土(RC)、FRC和混杂纤维ECC制成的全尺寸防护板(2 m×1 m×(50～100) mm)进行了落锤试验。试验观察到，随着撞击次数的增加，ECC板内部发生膨胀开裂，板上产生微裂纹区域并逐渐延伸到冲击区域之外，但在完全穿孔之前各个厚度的ECC板均只有少量碎片产生。这表明ECC因其优异的应变能力和高断裂能而具有较高的损伤容限，同时，因撞击区域外的大量材料参与能量吸收而具有极强的耗能能力。在100 mm厚度的对比试验中，RC板和FRC板分别在第2次和第7次撞击后，背面即产生严重碎裂，并最终发生脆性破坏,而ECC板在经历10次撞击后也没有碎片产生。对于更小厚度的ECC板，10次撞击也仅造成冲击面上的小凹痕及周边些许微裂纹，其结构完整性基本保持不变。图6展示了不同材料和厚度的防冲击板击坑深度和撞击次数的关系，从拟合曲线的趋势可以看出，ECC抗冲击能力明显优于FRC和RC。

图6 不同材料和厚度的防冲击板击坑深度和撞击次数的关系[7]Fig.6 Indent depth against number of impacts withdifferent materials and thickness[7]

Zhang等[7]还采用等效单自由度模型分析了RC板和ECC板的整体响应和能量吸收能力。发现与RC板相比，ECC板因为极限抗力和响应挠度更大，所以具有更高的能量吸收能力和整体抗冲击能力。总而言之，与RC、FRC板相比，ECC板的损伤更小，延性和能量吸收能力也更强，抗多次冲击能力优势显著。

未加固砌体墙(URM)承受平面外水平荷载的能力较差，尤其是在爆炸冲击中极易发生灾难性破坏。针对这一问题，Maalej等[38]基于前期同Zhang等[7]在落锤试验中取得的结论，考虑使用ECC涂层对URM进行加固，并利用自制的落锤装置对横向放置的砌体墙试件进行了冲击试验。砌体墙试件由实心黏土砖砌筑，尺寸为1 000 mm×1 000 mm×100 mm。通过一枚质量为51 kg的弹体于4 m高处自由落体实现冲击，撞击前弹体平均速度为8 m/s。试验证明了ECC涂层对URM抵抗多重低速冲击载荷的加固能力。与第一次遭受撞击即发生破碎破坏并伴随大量碎片喷出的URM不同，经ECC单面和双面加固的砌体墙分别能够承受5次和9次的弹体撞击，同时在撞击过程中ECC表面也没有发生碎片喷射。Maalej等[38]认为，ECC在用于面层加固时展现出的突出的耗能能力和防止撞击产生碎片的能力，主要源自其应变硬化和多重微裂纹稳态开裂的行为，而这对最大限度地降低墙体碎片喷射对人体的伤害是十分有利的。同时试验还发现，由于冲击面上的ECC加固层吸收了大部分的冲击能量，所以与单面加固相比，双面加固可以更好地保护易碎的砌体夹层，使砌体墙具有更小的压痕深度、凹坑尺寸以及更高的抗穿透性。

鉴于国内没有完善的混凝土类材料冲击检测标准以检测ECC的抗冲击性能，李庆华等[39]采用美国混凝土协会544委员会推荐的落锤试验法，寇佳亮等[40]采用自制的大高度大质量落锤试验，分别对ECC试样和钢筋ECC板进行了抗冲击性能研究试验，得出了与 Zhang等[7]相一致的结论，证实了ECC在冲击荷载下损伤小、整体性好、能量耗散力强的特点。

3.1.2 高速冲击

Maalej等[15]利用速度为300～750 m/s的小质量钢制射弹，研究了不同厚度ECC板的抗冲击能力。试验发现，在同等条件下，素混凝土的弹坑直径更大，成块状裂开甚至解体；而ECC板在侵彻深度达到板厚的75%时才发生震塌。有研究指出，为防止震塌，素混凝土的设计厚度需达到预期侵彻深度的2倍[41]。在多次高速冲击下，ECC板具备抵抗多重冲击的能力，尽管较薄的ECC板会被射弹穿孔，但是板周围区域基本上保持完整。试验发现，与混凝土中高度局部化的宏观裂纹区域相比，ECC板上微裂纹发展能够帮助能量耗散，并将输入能量从冲击点转移到更远的地方，从而最大限度地增加能量耗散所涉及的材料体积，获得更好的抗力。ECC板在冲击荷载下突出的抗碎裂特性和能量吸收能力，证明了其在防止冲击碎片飞散方面较普通混凝土的显著优势。

水泥基材料的抗压强度是影响高速射弹侵彻深度的主要材料特性。许多研究表明了抗压强度的重要性：一般来说，较高强度的混凝土具有较好的抗侵彻能力[42]。而众所周知，常规ECC因不含粗骨料，造成抗压强度并不高。针对ECC可能存在的抗侵彻能力不足的问题，Wang等[43]对常规强度ECC板、纤维增强高强砂浆(FRHSM)板以及不同抗压强度的FRC(60～140 MPa)板进行了高速射弹冲击试验。射弹采用直径为28 mm、重量约为250 g的卵形弹头，冲击速度约为400 m/s和600 m/s。试验发现，ECC板与同等强度的FRC板的侵彻深度差别不大；而由于坚硬的粗骨料甚至细骨料的存在，高强度FRC和FRHSM的侵彻深度比ECC小得多，弹坑外径也更小。此外,Wang等[43]还基于粗骨料和砂浆基质的硬度和比例计算出了各材料的“有效硬度指数”，发现侵彻深度随着有效硬度指数的增加而减小。试验结果表明，虽然抗拉强度和韧性的增加可以提升水泥基复合材料的抗侵彻性能，但是含有高比例硬组分的水泥基材料将更有效地减小射弹冲击的侵彻深度。这同时也为ECC抗冲击侵彻能力的提升提供了设计方向。

3.2 抗爆试验

理想的水泥基类防护材料，需要在抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度上兼具优异的性能[44]。考虑到ECC抗压能力并不突出，目前国内外鲜有ECC材料构件的爆炸试验报道。研究者主要将ECC作为组合结构的一部分，利用其韧性好、耗能强的特点，进行爆炸防护研究。徐世烺等[45]为了验证其提出的水泥基功能梯度抗爆板的抗爆效果。对由 ECC、C60混凝土(NSC)、超高性能混凝土(UHPC)制成的板体试件进行了50 g炸药当量的接触爆炸试验。试件尺寸为50 cm×50 cm×8 cm，不配置钢筋。试验观察到，NSC试件在爆炸作用下裂为4块并产生了贯穿性震塌，板中心形成环形震塌坑且有大量碎块溅出；ECC试件和UHPC试件在迎爆面均产生轻微的圆形漏斗坑，无明显开裂现象，背爆面均较为完好，无震塌现象(见图7)。ECC试件背爆面损伤集中在板体中心，产生向四周发散的密集微裂纹，而UHPC试件的裂纹则集中在板体中轴线附近。试验结果证明了ECC和UHPC在抵抗爆炸冲击上优于NSC，为抗爆板设计提供了依据。同时，ECC背爆面独特的损伤模式也体现了其在爆炸荷载下韧性好、整体性强、吸能能力突出的优点。

图7 各类试件的破坏形态[45]Fig.7 Failure modes of various specimens[45]

一定爆炸冲击下，常见砌体或钢筋混凝体墙体的整体响应会形成较大形变，并在巨大的拉伸和弯曲应力下产生碎裂破坏甚至脆性倒塌；而ECC具有拉伸应变硬化特性以及优异的弯曲韧性和能量吸收能力，是限制结构因较大变形而拉伸破坏和弯曲破坏的理想加固材料[15]。为了验证ECC的抗爆加固效果，Adhikary等[46]对经ECC涂层加固的RC板进行了爆炸试验。爆炸采用球形TNT装药，比例距离为0.58 m/kg1/3。ECC加固涂层采用Zhang等[7]开发的混杂纤维ECC材料，采用不同涂层厚度下背爆面加固和两面共同加固两种方式。试验结果表明，RC板在经ECC加固后峰值位移和残余位移均减小。与未加固RC板相比，加固后的RC板峰值位移降低了18%～51%，残余位移降低了28%～72%。这证明了ECC涂层可以显著提高普通混凝土材料的抗爆性能(见图8)。此外，试验结果表明，在涂层总厚度相同的情况下，与仅在背爆面进行加固相比，迎爆面ECC涂层减缓了混凝土的压缩脆性破坏，故双面加固在降低峰值位移和残余位移方面表现更好。

图8 不同加固条件下RC板的残余位移[46]Fig.8 Residual displacement of RC slab under different reinforcement conditions[46]

3.3 爆炸冲击数值模拟

目前，已有不少研究提出了ECC材料的本构模型[2]，并创建了相应的有限元代码[47-48]。有限元模拟对研究ECC防护性能和预测结构响应行为方面起着重要作用，特别是对于爆炸冲击等极端载荷下的研究来说，有限元模拟既可以降低试验成本，又可以避免实际试验易产生偶然误差的问题。为了准确预测ECC材料及结构在冲击载荷作用下的响应，考虑非线性和应变率效应的材料模型和准确有效的数值方法是必不可少的[49]。

Li等[49]建立了能充分反映ECC应变硬化特性和应变率效应的材料模型，并利用LS-DYNA有限元软件模拟了Maalej等[15]的高速射弹试验。在该数值模拟中，有限元模型采用八节点六面体单元，由拉格朗日网格(单点高斯积分)建模，弹体与板之间的接触由关键字“*Contact_Eroding_Surface_to_Surface”定义，冲击行为侵蚀准则由最大主应变和最大剪切应变准则确定，数值分析全过程采用粘性沙漏控制。经比对，数值模拟获得的弹坑直径和穿透深度等结果与实际试验结果一致(见图9)，证明了所开发数值模型和模拟技术的有效性和准确性，为分析ECC结构的冲击响应提供了一种实用有效的数值方法。

图9 冲击试验与数值模拟的一致性Fig.9 Consistency between impact test and numerical simulation

在处理大应变、高应变率下的问题时，HJC模型能较为全面地考虑混凝土类材料结构损伤累积效应[50]。基于该模型，徐世烺等[45]用关键字“*MAT_ADD_EROSION” 定义ECC材料最大拉应变失效，采用等效塑性应变和等效体积应变的积累来描述损伤，模拟出了ECC板在接触爆炸作用下的破坏响应，与试验结果匹配较好(见表2)。

表2 模拟结果与试验结果对比[45]Table 2 Comparison between the results of simulation and test[45]

4 结 论

ECC韧性延性优异，具有应变硬化特征，冲击作用下整体性好，特别是在高应变率下具有良好的能量吸收能力。同时，在微观力学和性能驱动设计方法的指导下，纤维性能的不断开发、基体成分的灵活组合以及界面性能的精细化设计，使ECC抗爆抗冲击应用潜力巨大。在ECC材料设计与防爆性能研究中，笔者有以下几点建议：

(1)利用微观力学工具，通过对纤维、基体及其界面的微观结构控制，合理利用纤维强度的应变率效应对ECC抗拉强度和延展性产生的正面作用，同时规避高加载率下纤维刚度、界面化学键强度和基体韧性增加对ECC拉伸应变硬化的不利影响。

(2)强度对于防护结构的安全性很重要。为了更好地满足抗冲击和抗爆结构的功能要求，国内ECC的研究还应当在抗压强度方面进行优化。

(3)混杂纤维的使用也是ECC未来发展的一个方向。高模量和低模量纤维的适当混合，可以帮助ECC在极限强度、裂缝宽度和应变能力之间达到理想的平衡；而具备特殊功能的纤维或许可以给ECC带来特别的性能，比如形状记忆合金纤维的形状恢复能力能够在热处理后快速使ECC的微裂纹自动愈合。

(4)进一步开展ECC动态本构关系、抗爆抗冲击作用机理及其抗爆设计方法等方面的研究，为ECC材料在抗爆抗冲击方面的应用奠定基础。