超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究*

吴 平，周 飞，李庆华，徐世烺，陈柏锟

（浙江大学高性能结构研究所，浙江 杭州 310058）

近年来，随着恐怖袭击事件的频繁发生，一些重要的基础设施，特别是需要重点保护的结构以及防御体，可能会在它们服役期间遭受到严重的冲击荷载。这些冲击荷载小到弹体的侵彻，大到飞机的撞击，无不威胁着现有结构的安全。因此，研发出优异的抗冲击材料和结构类型就成为近些年来的研究热点。钢筋混凝土结构是过去几十年应用最为广泛的工程结构类型，通常都是依靠建得“足够厚”来抵抗一些极端的冲击荷载。然而由于这种材料具有脆性大和抗拉强度低等缺点，在冲击荷载下会发生严重的脆性破坏，对结构内部的人员和设施构成了严重的威胁。近年来发展的高韧性纤维混凝土材料，有工程水泥基复合材料（engineering cementitious composite, ECC）、应变硬化水泥基复合材料（wtrain cardening cementitious composite, SHCC）、聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（polyvinl alcohol fiber reinforced cementitious composites, PVA-FRCC）或UHTCC（ultra-high toughness cementitious composites）等，具有优异的拉伸应变硬化能力、能量吸收和裂缝控制能力，将其作为防护材料可以显著减少由于拉伸和压缩应力波引起的碎片飞溅和崩落。

目前关于UHTCC 的抗冲击特性研究主要集中于小尺寸、低弹速的弹体单次冲击UHTCC 靶体或者是通过落锤和霍普金森杆试验来实现对UHTCC 板的耗能测试。Maalej 等对1.5%聚乙烯纤维和0.5%钢纤维混杂增强的UHTCC 板进行了弹体速度在300～700 m/s 的侵彻试验研究，发现混杂纤维可以改善UHTCC 遮弹板的抗冲击和能量吸收能力，同时减少了遮弹板的迎弹面开坑面积、背弹面的剥落、靶体的碎裂和损伤区域。赵昕利用霍普金森杆对UHTCC 进行了冲击压缩试验，发现UHTCC 材料的耗能要远优于钢纤维混凝土。另外，Zhang 等通过对UHTCC 板、钢纤维混凝土板和钢筋混凝土板进行落锤实验，发现相较于钢纤维混凝土板和钢筋混凝土板，UHTCC 板具有损伤小、整体性好、吸能效果好的特点，并且能够建成更加轻薄的防护结构。上述这些研究都表明UHTCC 材料相较于传统钢筋混凝土拥有更加优异的抗冲击能力。抗侵彻实验研究表明，尽管UHTCC 材料在侵彻过程中相较于普通混凝土具有碎片飞溅少、崩落少、能量吸收能力更高的特点，并且靶体不会出现明显的整体破坏，但是其相较于普通混凝土，抗侵彻深度能力没有明显的提高，因此Quek 等在纤维增强水泥基材料抗冲击特性的基础上开发了一种组合板并对其进行了抗冲击试验，试验结果显示，与普通砂浆靶体相比，UHTCC 组合靶具有更好的抗冲击性能。

此外，重要基础设施也可能会遭受到多次冲击的威胁，因此一些学者也对混凝土类结构在多次冲击荷载下的损伤规律进行了研究。Gomez 等基于Forrestal 等单次侵彻模型和试验数据提出了多次冲击下弹体侵彻深度的预测模型，并且利用该模型预测了小尺寸弹体多次侵彻半无限混凝土靶体的侵彻深度。赖建中等在Gomez 等研究的基础上，修正了与靶体抗压强度有关的多次侵彻计算经验公式。李金城进行了两发弹体以不同轴距侵彻混凝土的试验，发现二次侵彻的弹孔偏转方向受两次侵彻弹体的着靶点间距影响。另外，研究发现纤维增强混凝土可以很好地抵抗弹体第二次打击。向混凝土中加入钢纤维和玄武岩纤维，超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）对多次打击的抵抗力会显著提高。同样采用钢纤维和聚乙烯醇纤维制成的UHTCC 靶在两次冲击荷载作用下仍然可以保持完整性。王会芳利用UHTCC 制备出了双层功能梯度靶体，对其进行了多次重复侵彻试验，发现功能梯度靶体在抗侵彻深度方面较C50 混凝土靶体具有明显的优势。然而，目前关于UHTCC材料和组合结构在抗多次冲击荷载下的研究仍然非常有限，因此，研究UHTCC 材料和UHTCC 组合靶体在二次打击荷载作用下的破坏规律就显得尤为重要。

本文首先对UHTCC 靶体、聚乙烯醇纤维增强混凝土(polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, 简记为FRC)靶体和UHTCC-FRC 组合靶体进行二次打击试验，获取不同靶体的破坏数据；然后通过对比普通混凝土、超高性能混凝土，总结UHTCC 的抗侵彻性能；最后，系统地分析骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC 组合靶体抗侵彻性能的影响，以期为UHTCC 类材料在抗侵彻结构设计方面提供依据。

1 试验方案

1.1 侵彻试验方法

图1 为侵彻试验的现场布置示意图, 子弹冲击圆柱形UHTCC 组合靶体，靶体采用周向钢圈约束。发射装置为25 mm 滑膛炮，炮口距离靶体3 m。着靶速度由锡箔靶与电子计时仪测出。靶体安放在支架上，调整木楔让靶体表面与炮口轴线垂直。弹体始终以560 m/s 的速度垂直入射靶体。

图1 试验布置示意图Fig. 1 Schematic diagram of test layout

1.2 靶体

实验所用原料为：预先配置好的胶凝材料、减水率大于40% 的聚羧酸高效减水剂、细度模数为2.5 的普通砂、粒径为30 mm-50 mm 的玄武岩（basalt aggregates, BA）和刚玉（corundum aggregates, CA）骨料、长度为12 mm、直径为0.039 mm 的PVA 纤维、普通自来水。用以上原料按表1 配合比配制UHTCC、聚乙烯醇纤维增强玄武岩骨料混凝土(FRC-BA)和聚乙烯醇纤维增强刚玉骨料混凝土(FRCCA)。

表1 UHTCC 和FRC 各组分的质量浓度（kg/m3）Table 1 Mass concentrations of components (kg/m3) in UHTCC and FRC

UHTCC 浇筑采用强制式卧轴搅拌机搅拌，先将混合好的胶凝材料（水泥、粉煤灰、精细砂与减水剂）干拌2 min，随后加入水搅拌2 min，然后把PVA 纤维均匀加入继续搅拌5min。聚乙烯醇纤维增强混凝土（FRC-BA 和FRC-CA）用JZC-150 式搅拌机搅拌，先将混合好的胶凝材料、粗骨料与水加入并搅拌5 min，之后均匀撒入PVA 搅拌3 min。以上各组材料按表1 配合比进行搅拌。复合靶浇筑时，待已浇筑好的材料层初凝后（6 h），再在其上浇筑下一层，浇筑时先将表面用清水湿润。浇筑好的靶体，并浇水养护14 d，之后在室温下养护至28 d 龄期。同时浇筑抗压、抗拉试件若干组。

考虑到当靶体直径大于20 倍弹径时，可以忽略边界效应，同时弹体在560 m/s 初速度下不能贯穿靶体。因此将靶体设计为圆柱体，具体尺寸为 ∅ 750 mm×600 mm，侧面用4 mm 厚钢板箍紧。本次试验一共浇筑了5 个靶体，具体设置如图2 所示。1 号为UHTCC 靶；2 号为FRC-BA 靶体，一侧表面有50 mm厚的UHTCC 层；3、4、5 号靶为UHTCC-FRC 组合靶体，由50 mm 厚的UHTCC 层与150 mm 厚的FRC 层交替组成，其中3、4 号靶为UHTCC 和FRC-BA 组成的组合靶体，5 号靶为UHTCC 和FRC-BA 组成的组合靶体。考虑到侵彻深度较小或着弹点间距较大，对2 号、5 号靶正面和背面各进行了二次侵彻试验，3、4 号靶体相同但打击面不同，迎弹面共有7 种不同结构。

图2 试验靶体的结构形式Fig. 2 Structure types of test target

图3 UHTCC 直接拉伸测试Fig. 3 UHTCC uniaxial tensile test

养护28 天后测得三种材料的抗压强度、抗拉强度和密度如表2 所示：其中UHTCC 的抗压强度试件采用70.7 mm 的立方体，FRC 的抗压强度试件采用100 mm 的立方体，加载速率均为300 kN/min。UHTCC 的抗拉强度按图3(a)所示的装置进行测量，得到的UHTCC 拉伸应力应变曲线如图3(b)所示，具体方法按照文献[35]中推荐的狗骨头形状以便整个受拉过程保持轴心受拉。FRC 则按照图4(a)所示的装置进行测量，得到FRC 拉伸应力应变曲线如图4(b)。两种类型的拉伸加载速率均为0.2 mm/min。

图4 FRC 直接拉伸测试Fig. 4 FRC uniaxial tensile test

表2 UHTCC 和FRC 的力学参数Table 2 Mechanical parameters of UHTCC and FRC

1.3 弹体

尖卵形弹体材质为30GrMnSiNi2A 低合金超高强度钢，淬火后抗拉屈服强度可达1650 MPa，由25 mm 滑膛炮发射，并以580 m/s 的弹速出膛，弹体外形与尺寸如图5 所示。弹体直径25 mm，头部曲径比（CRH）为3，长径比为6，壁厚与弹径之比为0.14，底托为尼龙材质，弹体内部填入惰性材料调整弹体质量，平均发射质量为352.9 g。

图5 弹体尺寸Fig. 5 The size of projectile

2 试验结果与UHTCC 抗侵彻性能

2.1 试验结果

采用高速摄影机采集弹体着靶姿态、拍摄弹体飞行、弹体与靶体初始相互作用过程。弹体在撞击到UHTCC 靶体后，着弹点附近的UHTCC 材料在高挤压、剪切和拉伸应力的作用下开始剥落，并且这些材料介质沿着弹体前进的反方向喷出，形成了较为规则的弹坑。这一现象可以清楚地从图6 中看到。

图6 高速摄影记录弹体撞击靶体过程Fig. 6 Process of the projectile impacting the target recorded by high-speed photography

每次侵彻后测量了不同UHTCC、FRC 以及UHTCC 组合靶体的损伤参数，具体如表3 所示：为弹体质量，为弹体速度，为二次打击位置与第一发着弹点之间距离，为侵彻深度，为弹坑深度，为弹坑平均直径（=(+++)/4，具体如图7(a) 所示），与为每发弹体造成的弹坑面积（=π/4，由Photoshop 软件根据试验照片计算得出，具体如图7(b)所示），为迎弹面贯穿裂纹条数，为最大裂纹宽度。实验编号具体含义为：T 代表靶体编号，P 代表弹体打击靶体的迎弹面（其中1 为下表面，2 为上表面，见图2），编号最后一位的1 和2 分别代表第1 发和第2 发打击试验。

表3 错位打击下不同靶体的侵彻试验结果Table 3 Penetration test results of different targets subjected to dislocation impact

图7 靶体的迎弹面损伤Fig. 7 Target impact surface damage

表3 对比了第一发弹体和第二发弹体所造成靶体的开坑深度，可以发现：除了T1 靶体外，其他靶体则是第二发弹体引起的开坑深度都小于第一发弹体。造成这一现象的原因是：弹坑的形成是由弹体的直径、弹体冲击后的应力波和靶体介质的强度共同作用。一方面是因为第一发弹体冲击UHTCC、UHTCC 和FRC 组合靶体后，会在弹坑周围形成很多微观和宏观裂缝面，这时当第二发弹体再冲击靶体所产生的应力波在穿过这些裂缝面时，会发生多次反射，从而降低了应力波的破坏能力，另一方面，虽然第一发弹体的冲击会使弹坑周围靶体介质的受损，但是由于靶体中存在大量的PVA 纤维，会阻止靶体介质的强度迅速下降。因此第二发弹体造成的开坑深度要小于第一发弹体所引起的开坑深度。

分别对5 种不同分层的组合靶体进行错位侵彻实验。由于各种组合靶具有不同分层设置且各层材料的强度也不一样，因此，靶体抵御弹体冲击的能力不同，同时靶体的损伤状况也不一样。图8 为各个靶体迎弹面的破坏形态：其中为第一发弹体侵入靶体的深度、为第二发弹体侵入靶体的深度、为第一发弹体所引起的平均弹坑直径、为第二发弹体所引起的平均弹坑直径。

图8 初次和二次打击下不同靶体的破坏形貌Fig. 8 Destruction morphology of different targets subjected to the first and second strike

从第1 次和第2 次侵彻后靶体的破坏形态来看，UHTCC 的迎弹面受损程度要远小于加入粗骨料的FRC，具体如图8(a)和8(b)所示，这是由于加入粗骨料会增加材料的脆性，使得FRC-BA 和FRC-CA 靶体的迎弹面在高速冲击荷载下会形成较大的弹坑和更多的裂缝。通过T2-P1、T4-P2、T5-P1 与T2-P2、T3-P2、T5-P2 的迎弹面损伤程度，可以看出，以UHTCC 为迎弹面的组合靶相较于有骨料的FRC 为迎弹面的组合靶在错位打击后具有更小的迎弹面开坑和更少的裂缝，但其裂缝依然多于UHTCC 靶体，因此将无骨料的UHTCC 置于迎弹面可以有效降低弹体冲击后的开坑大小和裂纹的扩展。

侵彻试验结束后，从上述靶体中取得弹体如图9 所示，可以看出侵彻UHTCC 靶体的弹体整体结构良好，未发生的变形，弹体头部也未出现明显的刮擦痕迹，但是侵彻含有玄武岩和刚玉骨料靶体（FRC-BA和FRC-CA）的弹体头部损伤非常严重，并且发生了一定程度的变形。可见FRC-CA 和FRC-BA 靶体在抗弹体侵彻方面要优于UHTCC 靶体。

图9 试验后回收的弹体Fig. 9 Recovered projectiles after the test

2.2 UHTCC 的抗侵彻性能

图10 对比了T1-P2 与T2-P1 打击面前后弹打击破坏状态，发现FRC-BA 开坑直径与开坑深度均大于UHTCC。FRC-BA 开坑直径相较于UHTCC 增加了40%，是由于玄武岩骨料的加入使材料韧性下降。而向UHTCC 中加入玄武岩骨料，以同体积玄武岩取代UHTCC，会使FRC-BA 的强度提高30%，且弹体第1 次侵入FRC-BA 靶体深度相较于UHTCC 靶体会降低22%，弹体第二次侵入深度会降低23%。这主要是由于FRC-BA 靶体的强度高于UHTCC 靶体，同时弹体接触到高强度的骨料可能会发生一定的角度偏转。

图10 骨料对弹坑直径和侵彻深度的影响Fig. 10 Influences of the coarse aggregate on crater diameter and depth of penetration

收集了与本次研究相同弹体冲击情况下相关文献的实验数据，并对比分析了以不同速度冲击不同类型混凝土靶体后的侵彻深度和迎弹面平均开坑直径，见图11 和图12。从图11 中可以看出相同弹体速度下UHTCC 的侵彻深度要远大于高强混凝土（HSC）和超高性能混凝土（UHPC），这主要是由于UHTCC 材料本身强度和弹性模量都较低，以及UHTCC 靶体中无粗骨料存在。然而，从图12 可知：UHTCC 靶体表面打击后几乎没有裂缝，开坑面积非常小；有50 mm 厚UHTCC 表面层组合靶体的开坑与UHTCC 靶体基本相同；FRC-BA 表面开坑直径相对UHTCC 有所增加。与UHPC-CA/BA、UHPCSF/PF 和HSC 等高性能混凝土开坑进行对比，发现UHTCC 开坑直径最小，抗开坑能力最优。而FRCBA 开坑面积与125 MPa的UHPC-CA/BA 以及120 MPa 的UHPC-PF 相近，并远小于61 MPa 和100 MPa 的HSC，显示出FRC-BA 也具有良好的抗开坑性能。表明强度对于开坑直径影响不显著，而韧性对于开坑直径影响显著，韧性越高，靶体表面开坑越小。

图11 侵彻深度与弹体的冲击速度[36-38]Fig. 11 Depth of penetration versus striking velocity of projectile[36-38]

图12 弹坑直径与弹体冲击速度[36-40]Fig. 12 Crater diameter versus striking velocity of projectile[36-40]

3 靶体的抗侵彻性能分析

3.1 抗首发打击性能

T5 靶与T3、T4 靶具有相同的组合结构，而采用的粗骨料不同。图13 对比了弹体分别打击结构形式相同而骨料不同的复合靶体的开坑大小和侵彻深度。可以看出：FRC-CA 和FRC-BA 具有基本相同的抗压强度和抗拉强度，弹体初次侵入FRC-BA 和UHTCC 组合靶体的深度相较于FRC-CA 和UHTCC 组合靶体减小了27%，开坑直径也更小。这表明FRC-CA 抗侵彻性能更好，这是由于刚玉骨料的硬度要大于玄武岩骨料的硬度。

图13 骨料强度（硬度）对弹坑直径和侵彻深度的影响Fig. 13 Influences of the coarse aggregate strength (hardness) on crater diameter and depth of penetration

图14 对比了具有相同靶体结构和骨料但表面层不同的靶体（T2-P1、T2-P2 和T3-P2、T4-P2）的抗侵彻性能。由图14 可见，将UHTCC 置于组合靶体的迎弹面时，靶体开坑直径相较于迎弹面无UHTCC 减小30%，但侵彻深度增加约10%。而UHTCC 表面层开坑深度都在50 mm 内，开坑发生在表面层内。这说明UHTCC 表面层有效的减小了开坑。由于UHTCC 本身强度较低，导致组合靶体整体抗侵彻性能出现一定程度的降低。

图14 UHTCC 位于表面层对组合靶的抗侵彻性能的影响Fig. 14 Influence of UHTCC in the top layer on the penetration resistance of composite targets

图15 对比了骨料和打击面材料相同但中间层结构不同的靶体的抗侵彻性能。由图15 可知，当存在UHTCC 中间梯度层时靶体开坑直径没有明显影响，弹体侵彻深度略微增加。这说明将50 mm 厚的UHTCC 层置于FRC-BA 的中间层对组合入靶体的抗侵彻性能没有明显的改善。

图15 UHTCC 位于中间层对组合靶的抗侵彻性能的影响Fig. 15 Influence of UHTCC in the middle layer on the penetration resistance of composite targets

3.2 抗二次打击性能

图16 对比了相同靶体及打击面受到两次打击的开坑面积及侵彻深度。由图16 可以看出后弹开坑面积普遍小于前弹，而侵彻深度普遍增加。这说明打击后靶体损伤的存在降低了靶体抗侵彻性能。

图16 重复打击对弹坑面积和侵彻深度的影响Fig. 16 Influences of repeated impacts on craters areas and depth of penetration

图17 统计了无量纲的二次侵彻深度比（/，第2 发弹体侵彻深度与第1 发弹体侵彻深度的比值）与无量纲的弹着点相对偏差距离(/，其中为弹体直径)关系，发现相同弹速下，再次打击总侵彻深度不会超过2 倍的前弹侵彻深度。而且随着弹着点偏差的增加，再次打击侵彻深度比接近于1。这表明前弹损伤范围在靶面平面向上有限，对于本试验靶体，当弹着点相对偏差距离大于8 时，第一发弹体对靶体的影响基本可以忽略。

图17 弹着点相对偏差距离与二次侵彻深度比之间的关系Fig. 17 Relationship between the relative deviation distance of the impact point and the second penetration depth ratio

4 结 论

通过开展对UHTCC、FRC 和组合靶体的二次打击试验，获得了各个靶体的破坏数据和迎弹面破坏形态，经过分析得出了以下结论：（1）相同试验条件下，与普通混凝土和超高性能混凝土相比，UHTCC 能够有效的减小迎弹面的开坑直径，但会增加弹体侵彻深度；（2）向UHTCC 中加入粗骨料制成的FRC 能够使抗压强度提高30%，弹体的侵彻深度降低22%，但开坑直径增加了40%；此外，加入骨料的硬度越大，这种降低效果越明显；（3）将50 mm 厚的UHTCC 层置于组合靶体的迎弹面可以有效的减小组合靶体的迎弹面开坑直径，将50 mm 厚的UHTCC 层置于组合靶体的中间层对组合靶体的抗侵彻性能没有明显的改善；（4）相同靶体，在相同弹体冲击速度下，弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度，靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。