冲击荷载下3种典型纤维混凝土的动态力学性能研究

杨国梁，张博文，霍英杰，童鼎泰，董智文

[中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083]

0 引言

当建筑物受到爆炸荷载下冲击荷载作用时，为了保障建筑物的安全性、耐久性、可持续性，需要提高混凝土的抗冲击性能。因此，研究冲击荷载下典型纤维混凝土的动态力学性能是非常有必要的。

高延性纤维增强混凝土是经过系统性设计，在拉伸和剪切荷载下能够呈现高延展性的一种纤维增强复合材料。均匀、杂乱地分布在混凝土中的纤维类似于钢筋的作用，形成一个“三维的箍筋”系统，提高混凝土的强度、抗冲击性能与抗弯极限强度，同时保证混凝土核心部分不易被破坏，塑性提升幅度较大，且能量消耗低。

近年来，纤维混凝土获得了快速发展，尤其在各类防护等级较高的建筑中应用广泛，国内外有很多学者进行了纤维混凝土的抗冲击试验研究。刘新荣和柯炜[1]研究了多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态力学性能，结果表明，单掺聚丙烯粗纤维可提高混凝土的整体性，单掺聚丙烯细纤维主要是提高混凝土破坏后的抗冲击性能，而混掺纤维混凝土各个时期的抗冲击性能均得到提高。权娟娟等[2]研究了高延性水泥基复合材料高温作用后的拉伸性能，结果表明，常温下利用钢纤维等量替代PVA纤维将劣化PVA-ECC的拉伸应变硬化能力；高温对PVA-ECC和HyECC的拉伸强度和拉伸韧性均有明显的劣化作用。惠存等[3]研究了玄武岩-PVA混杂纤维混凝土力学性能，结果表明，玄武岩纤维、PVA纤维和混杂纤维可明显提高混凝土的抗折强度，且混杂纤维对抗折强度的增强作用尤为明显。权长青等[4]通过正交试验研究了钢纤维、聚丙烯纤维及粉煤灰对混凝土的作用效果，结果表明，钢纤维的作用效果最佳，其次为聚丙烯纤维，粉煤灰的作用效果最差。

目前，增加混凝土的变形、改善混凝土的脆性的技术路线主要是通过在混凝土中添加适当的外加填料实现[5]。本文以玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维为增强材料，在不同的纤维质量掺量下选取合适的气压对试件进行SHPB冲击试验，最终确定在冲击荷载下3种典型纤维混凝土的动态力学性能。

1 试验

1.1 试件制备

水泥：诸城九七建材有限公司，P·O52.5水泥，主要性能如表1所示；骨料：中砂建筑材料有限公司，Ⅱ区中砂，细度模数2.5，颗粒级配如表2所示；粉煤灰：河南宁存建材有限公司，Ⅰ级，细度8.0%，含水量0.1%，烧失量2.0%，需水量比80%，SO3含量1.5%；减水剂：常州莱佑贸易有限公司，早强型聚羧酸减水剂，减水率10%～25%，固含量98%；水：自来水；玻璃纤维：中山强威网络科技有限公司，伸长率4.8%，密度2.76g/cm3；钢纤维：沭阳县京宇商贸中心，端钩型，长度30mm，直径0.75mm，长径比40，密度7.85g/cm3，抗拉强度1000MPa；聚丙烯纤维：沭阳华琪坊商贸中心，长度6mm，密度0.91g/cm3，抗拉强度800MPa。

表1 水泥的主要技术性能

表2 砂的颗粒级配

根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及实际情况进行纤维混凝土配合比设计。普通混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（水）∶m（减水剂）=494∶90∶707∶187∶8.4，在普通混凝土配合比基础上，掺加质量掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%的不同纤维，制得玻璃纤维混凝土、钢纤维混凝土及聚丙烯纤维混凝土。

为充分拌合纤维混凝土试件，发挥不同类型纤维在混凝土中的作用，使用混凝土搅拌机均匀搅拌后利用振捣机充分振捣，增强混凝土的密实性，排除混凝土中的气泡，以提高混凝土的强度，减少试验误差。试件采用100 mm×100 mm×100 mm模具浇筑，成型后用不透水的薄膜覆盖表面，标准条件下静置24 h后拆模，放入标准养护室内养护28 d。养护后切割成尺寸为φ50 mm×25 mm圆饼试件。

1.2 试验方案

本试验在中国矿业大学（北京）土木工程动态力学实验室进行，使用SHPB动力试验系统测试不同纤维混凝土试件的动态力学性能。为保证波阻抗相同，子弹、入射杆、透射杆均采用均质钢材，长度分别为800、3200、1800 mm，直径均为50 mm。试验前在子弹与入射杆碰撞端面贴波形整形器，使之有效延长入射脉冲的上升沿、平滑波形、消除波形振荡，减少了大直径杆带来的弥散效应。试验系统如图1所示。

图1 SHPB试验系统示意

入射应变波、反射应变波和波透射应变波中，测得其中2个即可通过公式图确定试件的动态应力-应变关系，消去时间变量后得到试件动态应力-应变曲线。进而分析纤维混凝土的强度和塑性[6]。

采用SHPB试验研究纤维类型及纤维质量掺量对混凝土动态力学性能的影响，且本文研究发生爆破时在爆炸冲击荷载下不同类型纤维对混凝土的影响，故选择较高的打击气压进行试验。设计纤维质量掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%，打击气压分别为0.20、0.25、0.30 MPa，进行3组平行试验取平均值，以减少误差。试验设计方案如表3所示，编号中B、G、J分别代表玻璃纤维混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土。

表3 试验设计方案

2 结果及分析

对玻璃纤维、钢纤维、聚丙烯纤维混凝土在纤维掺量为1.0%、1.5%、2.0%情况下分组分别进行打击气压为0.20、0.25、0.30 MPa的动态力学性能试验，结果如表4所示。

表4 混凝土的动态力学性能试验结果

2.1 峰值应力分析

根据SHPB试验各数据的入射波、反射波和透射波，对试验结果进行分析，绘制应力-应变曲线，得到动态应力与应变关系。相同打击气压下纤维混凝土的峰值应力相较于普通混凝土变化率如表5所示。当纤维的质量掺量为1.5%时，纤维混凝土在不同打击气压时的应力-应变曲线如图2所示；当打击气压为0.25 MPa时，纤维混凝土在不同纤维质量掺量时的应力-应变曲线如图3所示。

表5 相同打击气压下纤维混凝土的峰值应力变化率

图2 纤维混凝土在不同打击气压时的应力-应变曲线

图3 纤维混凝土在不同纤维掺量时的应力-应变曲线

根据表5及图2、图3的试验结果分析可知：

（1）纤维质量掺量相同时，随着打击气压的升高，混凝土的峰值应力会随之提高，即混凝土的强度提高，并且提高较均匀。

（2）打击气压相同时，不同纤维质量掺量的混凝土峰值应力由大到小顺序为掺1.5%纤维＞掺2.0%纤维＞掺1.0%纤维。当纤维掺量为1.5%时，混凝土的峰值应力最大、强度最高。

（3）3类纤维混凝土在相同打击气压作用下，强度基本都高于普通混凝土，说明掺入适量纤维可以提高混凝土的强度。在打击气压相同条件下，当纤维掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%时，与普通混凝土相比，玻璃纤维混凝土的峰值压力平均提高了1.04%、16.62%、12.17%，钢纤维混凝土的峰值压力平均提高了29.52%、43.68%、42.79%，聚丙烯纤维混凝土的峰值压力平均提高了33.5%3、43.42%、14.61%。玻璃纤维对ECC有增强效果，聚丙烯纤维对ECC有较强的增强效果，而钢纤维对ECC的增强效果最显著，且均在纤维掺量为1.5%时增强效果最好，玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的峰值应力较普通混凝土最高可分别提高26.43%、59.15%、69.03%。

2.2 塑性分析

塑性指材料抵抗变形的能力，由相关研究可知[7]，单一混凝土材料在动态冲击作用下，其峰值应变与应变率呈正相关关系，应变率与材料塑性大体呈线性关系，故可以通过应变率来研究材料的塑性。相同打击气压下纤维混凝土的应变率相较于普通混凝土变化率如表6所示。

表6 相同打击气压下纤维混凝土的应变率变化率

由表6可见：相较于普通混凝土，纤维混凝土的应变率普遍下降，说明掺入适量纤维可以改善混凝土的塑性。对于同种类型的纤维混凝土，在质量掺量相同的情况下，随打击气压的增大，应变率增大。当纤维掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%时，相较于普通混凝土，玻璃纤维混凝土的应变率变化率平均值分别为9.91%、-1.02%、-4.65%，钢纤维混凝土的应变率变化率平均值分别为-0.12%、-5.92%、-33.11%，聚丙烯纤维混凝土的应变率变化率平均值分别为-21.55%、-17.83%、-5.96%。玻璃纤维对ECC的塑性改善效果不明显，而聚丙烯纤维和钢纤维则对ECC的塑性改善效果十分显著。

对照同种纤维质量掺量、同种气压对应的应变率，2.0%钢纤维的改善效果较好，打击气压为0.20、0.25、0.30MPa时的应变率较普通混凝土分别减小31.10%、24.65%、43.58%，表明适量钢纤维对于ECC的塑性有显著影响。1.5%聚丙烯纤维的改善效果也较好，在0.20 MPa打击气压下应变率较普通混凝土减小40.90%；在0.25 MPa打击气压下，由于聚丙烯纤维掺量超过最优掺量，应变率增大，说明掺入过量聚丙烯纤维不利于混凝土的塑性。玻璃纤维的效果不明显。综合考虑，3种纤维中，聚丙烯纤维对于改善混凝土塑性效果最佳，适量掺入可以大大提高混凝土的抗冲击性能。

2.3 能量耗散分析

相同打击气压下纤维混凝土的能量耗散相较于普通混凝土变化率如表7所示。

表7 相同打击气压下纤维混凝土的能量耗散变化率

由表7可见，在相同打击气压作用下，玻璃纤维混凝土和钢纤维混凝土相较于普通混凝土的能量耗散均减少，而聚丙烯纤维混凝土的变化不同。对于同种类型的纤维混凝土，在纤维质量掺量相同的情况下，随打击气压的增大，能量耗散增加。当纤维掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%时，相较于普通混凝土，玻璃纤维混凝土的能量耗散变化率平均值分别为-42.01%、-39.56%、-27.34%，钢纤维混凝土的能量耗散变化率平均值分别为-19.81%、-57.29%、-15.24%，而聚丙烯纤维混凝土的能量耗散变化率平均值分别为14.24%、1.37%、50.88%。玻璃纤维和钢纤维均可大大减少混凝土材料的能量耗散，但聚丙烯纤维却会增加能量耗散。3种纤维中，钢纤维对于减少能量耗散效果最佳。在0.20MPa打击气压下掺1.0%玻璃纤维和在0.30 MPa打击气压下掺1.5%钢纤维减小能量耗散效果最佳，能量耗散较普通混凝土分别减小了54.82%、68.92%。

2.4 最优化分析

当打击气压为0.20 MPa时，提高强度、改善塑性效果最好的是掺1.5%聚丙烯纤维，混凝土的峰值应力可达54.04 MPa，较普通混凝土提高了69.03%，应变率为71.89 s-1，较普通混凝土减小了40.90%；而减小能量耗散效果最好的是掺1.5%钢纤维，此时混凝土的能量耗散为2.82 J，较普通混凝土减小了56.81%。

当打击气压为0.25 MPa时，提高强度、改善塑性效果最好的是掺1.5%钢纤维，混凝土的峰值应力为58.59 MPa，较普通混凝土提高了40.40%，应变率为87.35 s-1，较普通混凝土减小了24.65%；减小能量耗散效果最好的是掺1.5%玻璃纤维，此时混凝土的能量耗散为4.32 J，较普通混凝土减小了46.86%。

当打击气压为0.30 MPa时，提高强度、改善塑性效果最好的是掺2.0%钢纤维，混凝土的峰值应力为58.98MPa，较普通混凝土提高了40.23%，应变率为88.99s-1，较普通混凝土减小了43.58%；减小能量耗散效果最好的是掺1.5%钢纤维，此时混凝土的能量耗散为6.52 J，较普通混凝土减小了68.92%。

由上述分析可知，玻璃纤维在低打击气压下可以提高混凝土的各方面性能，但在高打击气压条件下效果不太显著；钢纤维在各种情况下对混凝土性能均有利，尤其对混凝土的强度提高明显，峰值应力可以达到60MPa，且在高打击气压0.3MPa作用下较其他2种纤维表现优异；聚丙烯纤维对混凝土的强度及韧性提高均有较好的效果，但能量耗散在某种情况下会增大。且3种纤维的质量掺量为1.5%时混凝土的性能较优。

3 结论

（1）在相同打击气压条件下，纤维增强混凝土较普通混凝土的强度更高；对于同种纤维类型的混凝土，纤维质量掺量一定时，随着打击气压的升高，纤维混凝土的强度提高；打击气压一定时，纤维掺量为1.5%时效果最佳。3种纤维类型中，钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土强度的提高较为显著，其中掺1.5%钢纤维和聚丙烯纤维时效果较好。

（2）掺入适量纤维可以提高混凝土的塑性；对于同种纤维类型的混凝土，纤维质量掺量一定时，随打击气压的提高，应变率增大，塑性提高。3种纤维类型中，聚丙烯纤维及钢纤维对塑性改善效果显著，而玻璃纤维对塑性改善效果一般。

（3）对于同种纤维类型的混凝土，纤维质量掺量一定时，随打击气压的提高，能量耗散增加；打击气压一定时，纤维掺量为1.5%时效果较佳。3种纤维中，玻璃纤维和钢纤维可以显著减少能量耗散，聚丙烯纤维则没有明显效果。

（4）结合强度、塑性以及减少能量耗散效果分析：在3种纤维中，钢纤维性能最优，强度高、塑性好、能量耗散少；玻璃纤维虽可以减少能量耗散，但对混凝土强度提高效果不明显；聚丙烯纤维可以改善塑性，但能量耗散较大。