高強混凝土在沖擊荷載下的力學性能

劉俊良，許金余,2，任韋波

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，西安　710038;2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安　710072)

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高強混凝土在沖擊荷載下的力學性能

劉俊良1，許金余1,2，任韋波1

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，西安710038;2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安710072)

隨著混凝土配比以及施工技術的改進，高強混凝土得到廣泛使用，本文利用直徑100mm的分離式霍普金森壓桿試驗系統，研究了不同應變率下高強混凝土的動態力學性能，并對其動壓強度、峰值應變、彈性模量及破壞形態的變化規律進行分析。結果表明：隨應變率增大，高強混凝土的動壓強度、峰值應變及破壞程度均呈上升趨勢，表現出明顯的應變率效應，同時，彈性模量則未出現明顯變化趨勢。高強混凝土具有更大的動壓強度，但相對增幅下降，具有較小的率敏感性，現有CEB公式并不能有效擬合高強混凝土DIF值。同時，高強混凝土動彈性模量較大，峰值應變較小，其變形能力降低。在破壞形態分析中，高強混凝土具有更多的細小碎粒，破壞程度更大。

SHPB； 高強混凝土； 率敏感性； 動態力學性能

1　引　言

混凝在現代建筑中廣泛應用，而高強混凝土由于強度高、節省空間的巨大優勢在工程中得到廣泛使用，然而針對高強混凝土的研究往往集中于收縮、徐變、彈性模量及耐久性等靜態力學性能[1-4]，而混凝土結構在實際使用過程中難免因風荷載、地震、爆炸等承受動荷載。混凝土作為一種應變率敏感的材料，在沖擊荷載下勢必呈現出與靜荷載作用不同的力學性能。Atchley等[5]測試了強度為17.2MPa、25.5MPa和34.5MPa的混凝土的動力學性能，但混凝土強度較小；Bischoff等[6]分別對抗壓強度為30MPa和50MP的混凝土進行了動態抗壓試驗，但強度跨度較窄，且應變率較低；Ross等[7]采用SHPB裝置立方體抗壓強度為16～50MPa的混凝土試件進行了沖擊試驗，但混凝土強度僅限50MPa以下。嚴少華等[8]針對靜態抗壓強度為87MPa的高強混凝土進行了沖擊試驗，但僅對其應變率效應進行了簡要分析；張扉[9]針對C80試件，進行了動態壓縮試驗，但應變率同樣只有10-3～10-1s-1。

可以看出，針對高強混凝土動態力學性能的影響還存在一些不足，而隨著混凝土配比以及施工技術的改進，高強混凝土得到廣泛使用，位于亞洲迪拜高達150層的迪拜塔則成功應用80MPa高強混凝土構建混凝土框架結構，并顯著降低工程成本[10]。此外，高強混凝土在框架結構中應用普遍，研究高強混凝土在高應變率下的動態力學性能，對于抗震設計、爆炸評估等都具有重要意義。

本文通過SHPB系統對C30、C80強度等級的混凝土試件進行了沖擊測試，并對高強混凝土動壓強度、峰值應變、彈性模量及破壞形態的變化規律進行了分析。

2　試　驗

2.1原材料與試件制備

原材料：(1)水泥：42.5R、52.5R級普通硅酸鹽水泥；(2)粉煤灰為韓城第二發電廠生產的F類 級粉煤灰具體指標見表1，試驗所用粉煤灰經檢驗為395m2/kg；(3)硅灰為西安霖源微硅粉有限公司生產的微硅粉具體指標見表2，其比表面積經檢驗為22m2/g；(4)石灰巖碎石：密度2.70g/cm3，粒徑5～10mm；(5)中砂，密度2.63g/cm3，細度模數2.78；(6)FDN高效減水劑：建寶新型建材有限公司生產的FDN高效減水劑，減水率20%；聚羧酸減水劑：陜西中易化工有限公司生產的ZY-PCA型聚羧酸高性能減水劑，減水率36%；(7)自來水。混凝土配合比如表3所示。

表1　粉煤灰主要指標檢驗結果

表3　混凝土配合比

利用上述原材料，按照表1中所列配合比，制備基體強度等級C30及C80的混凝土。具體制備過程為：制備混凝土拌合物，將混凝土拌合物分散、攪拌均勻后分別裝入立方體和長圓柱體鋼模，并利用振動臺和插入式振搗棒振搗成型；1d后拆模，移入養護室進行為期28d的標準養護；而后將試件取出按SHPB試驗要求對長圓柱體試件進行切割、打磨。試件規格分兩種：即用于靜態壓縮試驗的標準立方體試件(150mm×150mm×150mm)和用于動態試驗的短圓柱體試件(φ98mm×50mm)。

2.2試驗方法

準靜態壓縮試驗采用HYY型電液伺服材料試驗系統，加載速率0.5MPa/s。動態壓縮試驗采用 100mmSHPB試驗系統(見圖1)，試件端部采用擦涂油脂進行潤滑的方式以消除端部摩擦效應；為增加脈沖的上升沿時間，使試件內部應力均勻，采用厚度1mm、直徑30～50mm的鋁質圓片作為波形整形器[11]。根據一維應力波傳播規律，可對試件應力、應變及應力應變歷史進行如下計算。

(1)

式中：AS、LS分別為試件的橫截面積及長度，C、E、A分別為壓桿的波速(m/s)、彈性模量(GPa)及橫截面積(mm2)，εI、εR、εT分別為測得的入射、反射和透射脈沖由超動態應變儀和波形存儲器等進行轉換記錄。

圖1　100 mm SHPB試驗系統Fig.1　100 mm diameter SHPB system

圖2　不同強度等級混凝土動壓強度與應變率關系Fig.2　Relationships between dynamic compressive strength and strain rate for different grade concrete

3　結果與討論

3.1強度分析

C30、C80混凝土的靜態抗壓強度分別為34.7MPa和83.5MPa。圖2是試件的動壓強度隨應變率的變化關系，這里選用平均應變率作為應變率的代表值。試件動壓強度與應變率之間的關系可回歸如式2：

(2)

可以看出，兩組試件動態抗壓強度均隨應變率增大而增大，具有明顯的應變率效應。這主要是由于混凝土在承受沖擊荷載時，內部裂縫迅速開展，但由于加載速度過快，試件裂縫并未貫通水泥與骨料結合的過渡區，而是在基體或骨料中發展更多的裂縫形成破壞，因此，具有更高的強度。當應變率處于60s-1附近時，C30及C80混凝土強度提升比率分別為74.4%和42.1%。這表明了混凝土動壓強度提升比率隨其強度等級提升而下降。同時，C30及C80混凝土試件在應變率60s-1相對20s-1時的強度增幅分別為31.6MPa和37.6MPa，表明混凝土在沖擊荷載下強度增幅隨強度等級提升而增大，但增大幅度減小。這是由于在沖擊荷載下，混凝土由過渡區開裂逐漸轉向骨料貫通開裂，而本文骨料均采用石灰石，因此不同強度等級的混凝土具有相近的強度增幅。

為進一步分析不同等級混凝土的應變率效應，對試件DIF進行分析，DIF為試件動壓強度與靜壓強度之比，研究人員多采用DIF分析其應變率效應。CEB[12]指出試件抗壓強度越高，其DIF越大。下面是CEB給出的DIF計算公式。

(3)

圖3　CEB的DIF計算模型與不同強度等級混凝土試驗結果對比Fig.3　Comparison between DIF model of CEB and experimental results for different strength concrete

圖3給出了不同強度等級混凝土的DIF隨應變率的變化關系及結合CEB公式的擬合結果，可以發現，當混凝土強度等級為C30時，CEB能較好的擬合試驗結果，但混凝土等級提升到C80時，CEB給出的公式并不能對試驗結果進行有效的擬合，且與試驗明顯不符。CEB的公式于1990年提出，當時高強混凝土并未普及并推廣，這是其規范能較好反映普通混凝土而對高強混凝土適用性的可能性原因。目前，高強混凝土在建筑的各個方面都有較為普遍的應用，因此，需要對規范進行相關修正，可收集大量高強混凝土工程及試驗數據，進而提出不同強度均能適用的公式。

3.2變形分析

峰值應變即試件到達峰值應力時對應的應變，是表征試件沖擊變形特性及描述試件變形失穩破壞的重要指標。圖4為各組試件的峰值應變隨應變率的變化關系，式4給出了峰值應變的回歸公式。

(4)

可以發現：(1)混凝土試件峰值應變均隨應變率增大而增大，以C30為例，當應變率從20s-1增大到60s-1時，試件峰值應變增幅較大達50.6%。這是由于混凝土在承受沖擊荷載時，在裂縫開展產生變形后由于加載過快使混凝土仍具有承受能力，因此具有較大的峰值應變。(2)同一應變率下，各等級強度混凝土峰值應變的大小關系為C30>C80，在應變率從20s-1到60s-1的過程中，C30峰值應變增大了0.00411，而C80混凝土峰值應變僅增大0.00217，且在擬合公式中C80混凝土具有較小的增長率。也就是說高強混凝土不僅峰值應變較低，其率敏感性也較小。這種現象可結合混凝土中的空隙、孔隙的分布來進行分析。Kumar等[13]在研究中給出了混凝土中孔隙率關于混凝土強度的變化規律，混凝土強度越高，其內部結構越密實。因此，在承受沖擊荷載時，低強度等級的混凝土內部具有較多的孔隙導致了其具有較大幅度的變形空間，與之相反，高強等級混凝土變形空間就小，這導致高強度等級的混凝土在沖擊荷載下的峰值應變具有較低的率敏感性。

圖4　不同強度等級混凝土峰值應變與應變率的關系Fig.4　Relationships between dynamic peak strain and strain rate for different grade concrete

圖5　不同強度等級動彈性模量與應變率的關系Fig.5　Relationships between dynamic elastic modulus strain and strain rate for different grade concrete

3.3彈性模量分析

彈性模量是描述混凝土彈性性能的重要參數，對結構設計及破壞評估有重要意義。定義彈性模量Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分別代表0.6倍和0.4倍的峰值應力，ε0.6和ε0.4代表相應應力下應力應變曲線上升段對應的應變值。圖5是不同強度等級的混凝土試件動彈性模量隨應變率的變化關系，可以看出，隨應變率增大，試件動彈性模量在一定范圍內波動，并未出現明顯變化趨勢。這也表明混凝土動彈性模量不具有明顯的率敏感性。這是由于混凝土在初始加載階段并沒有產生明顯的微裂縫，試件的剛度并不會發生明顯的改變，因此試件在沖擊荷載下的彈性模量不會有明顯變化。關于混凝土材料動彈性模量率敏感性的研究向來存在爭議：本文得出的結論與Lok等[14]研究觀點相同，即混凝土動彈性模量不隨應變率變化而變化。而Wang等[15]發現動彈性模量隨應變率增大而增大，Su等[16]的研究則給出了動彈性模量隨應變率增大而減小的結論。這可能由于在沖擊荷載下，不同試件微裂縫的開裂差異、不同部位的強度差異均會對其彈性模量造成顯著的影響，而試驗條件的不同，測試手段等都會對結果產生影響，這可能是不同學者對動彈性模量有所爭議的原因之一。再者，在本文中，將彈性模量定義為Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4)。這是由于，應力應變曲線初始階段穩定性較差，得到的曲線離散性大，基于此，很多學者都進行了相應的改進，Dhir等[17]及Zielinski等[18]采用割線模量對混凝土動態彈性模量進行表征，Rostasy等[19]則采用初始切線模量進行表征，但都存在一定爭議。Su等[16]則在文章中將動態彈性模量定義為：Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分別代表0.6倍和0.4倍的峰值應力，ε0.6和ε0.4代表相應應力下應力應變曲線上升段對應的應變值。這種定義方法即克服了采用初始切線模量時，混凝土動態應力應變曲線初始部分的不穩定性，又克服了采用割線模量時，混凝土破壞時應力應變的較大離散，而選取的0.6倍和0.4倍的峰值應力階段也是曲線的平穩上升階段，此時混凝土的變形穩定且與加載密切相關，較好的反映了混凝土的應力-應變之間的變化關系，動彈性模量定義的不同也許是動彈性模量結果出現爭議的另一個原因。

圖5表明C80混凝土的動彈性模量明顯大于C30混凝土，這是因為混凝土強度等級較低時，試件內部存在較多孔隙，在初始加載階段，這些微孔隙會逐漸擠壓，因此產生較大的形變，因此其彈性模量也小，而強度等級較高的混凝土由于水灰比較小，因此水分流失殘留的微孔隙也小，這也使高強混凝土具有較大的彈性模量。

3.5沖擊破碎分析

試件的破碎形態和碎塊分布能較好的反映混凝土試件在承受沖擊荷載時的破壞程度。圖6是不同應變率下GC試件的典型破壞形態，可以看出應變率越大，試件破壞程度越嚴重，試件碎塊數目更多、尺寸等級也更小。(2)在較低應變率下，試件主要呈軸向劈裂式破壞，碎塊形狀多為尺寸較大的條狀或塊狀，在較高應變率下，試件主要呈壓碎式破壞，出現了大量的細粒、微粒碎屑；(3)高強混凝土破壞時產生的細粒更多，破壞程度也更大。

圖6　不同強度等級混凝土不同應變率下的典型破壞形態Fig.6　Typical failure patterns of different grade concrete under different strain rates

4　結　論

(1)C30和C80混凝土的動壓強度、峰值應變及破壞程度均隨應變率增大而增大，具有明顯的應變率效應，而彈性模量并未隨應變率增大出現明顯的變化趨勢；

(2)高強混凝土具有更大的動壓強度，但相對增幅下降，具有較小的率敏感性，現有CEB公式并不能有效擬合高強混凝土DIF值；

(3)高強混凝土動彈性模量較大，峰值應變較小，其變形能力下降；

(4)在混凝土沖擊破碎分析中，高強混凝土產生的細小碎粒更多，破壞程度越大。

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MechanicalPropertiesofHighStrengthConcreteunderImpactLoading

LIU Jun-liang1,XU Jin-yu1,2,REN Wei-bo1

(1.DepartmentofAirfieldandBuildingEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi'an710038,China;2.CollegeofMechanicsandCivilArchitecture,NorthwestPolytechnicUniversity,Xi'an710072,China)

Highstrengthconcretewerewidelyusedbythepromotedofmixproportionandconstructiontechnique.Theaimofthispaperistoinvestigatetheperformanceofhighstrengthconcreteunderimpactloading.A100mmsplitHopkinsonpressurebarsystemwasemployedtodeterminethedynamicmechanicalpropertiesofhighstrengthconcrete.Thedynamicstrength,peakstrain,elasticmodulusandfragmentationwereincluded.Theresultsindicatethattheeffectsofstrainrateondynamiccompressivestrength,peakstrain,areobvious,butdynamicelasticmodulusdoesn'tshowobvioustendasstrainrateincrease.Highstrengthconcreteleadsanhigherdynamiccompressivestrengthbutareductioningradient,formulaofCEBcan'treflecttherealchangeruleofdynamicincreasefactor(DIF)ofhighstrengthconcrete.Additionally,highstrengthconcreteshowsahigherdynamicelasticmodulusbutareductioninpeakstrainanddeformability,respectively.Inanalysisoffailurepatternofspecimen,concretewithhighergradeexistlargerfragmentsinsmalldiameterwhichindicateahigherdegreeofdamage.

SHPB;highstrengthconcrete;ratesensitivity;dynamicmechanicalproperty

國家自然科學基金資助項目(51378497，51208507)

劉俊良(1992-)，男，博士研究生.主要從事混凝土應用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0261-06