超高韌性水泥基復合材料—纖維混凝土組合靶體抗兩次打擊試驗研究*

吳 平，周 飛，李慶華，徐世烺，陳柏錕

（浙江大學高性能結構研究所，浙江 杭州 310058）

近年來，隨著恐怖襲擊事件的頻繁發生，一些重要的基礎設施，特別是需要重點保護的結構以及防御體，可能會在它們服役期間遭受到嚴重的沖擊荷載。這些沖擊荷載小到彈體的侵徹，大到飛機的撞擊，無不威脅著現有結構的安全。因此，研發出優異的抗沖擊材料和結構類型就成為近些年來的研究熱點。鋼筋混凝土結構是過去幾十年應用最為廣泛的工程結構類型，通常都是依靠建得“足夠厚”來抵抗一些極端的沖擊荷載。然而由于這種材料具有脆性大和抗拉強度低等缺點，在沖擊荷載下會發生嚴重的脆性破壞，對結構內部的人員和設施構成了嚴重的威脅。近年來發展的高韌性纖維混凝土材料，有工程水泥基復合材料（engineering cementitious composite, ECC）、應變硬化水泥基復合材料（wtrain cardening cementitious composite, SHCC）、聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料（polyvinl alcohol fiber reinforced cementitious composites, PVA-FRCC）或UHTCC（ultra-high toughness cementitious composites）等，具有優異的拉伸應變硬化能力、能量吸收和裂縫控制能力，將其作為防護材料可以顯著減少由于拉伸和壓縮應力波引起的碎片飛濺和崩落。

目前關于UHTCC 的抗沖擊特性研究主要集中于小尺寸、低彈速的彈體單次沖擊UHTCC 靶體或者是通過落錘和霍普金森桿試驗來實現對UHTCC 板的耗能測試。Maalej 等對1.5%聚乙烯纖維和0.5%鋼纖維混雜增強的UHTCC 板進行了彈體速度在300～700 m/s 的侵徹試驗研究，發現混雜纖維可以改善UHTCC 遮彈板的抗沖擊和能量吸收能力，同時減少了遮彈板的迎彈面開坑面積、背彈面的剝落、靶體的碎裂和損傷區域。趙昕利用霍普金森桿對UHTCC 進行了沖擊壓縮試驗，發現UHTCC 材料的耗能要遠優于鋼纖維混凝土。另外，Zhang 等通過對UHTCC 板、鋼纖維混凝土板和鋼筋混凝土板進行落錘實驗，發現相較于鋼纖維混凝土板和鋼筋混凝土板，UHTCC 板具有損傷小、整體性好、吸能效果好的特點，并且能夠建成更加輕薄的防護結構。上述這些研究都表明UHTCC 材料相較于傳統鋼筋混凝土擁有更加優異的抗沖擊能力。抗侵徹實驗研究表明，盡管UHTCC 材料在侵徹過程中相較于普通混凝土具有碎片飛濺少、崩落少、能量吸收能力更高的特點，并且靶體不會出現明顯的整體破壞，但是其相較于普通混凝土，抗侵徹深度能力沒有明顯的提高，因此Quek 等在纖維增強水泥基材料抗沖擊特性的基礎上開發了一種組合板并對其進行了抗沖擊試驗，試驗結果顯示，與普通砂漿靶體相比，UHTCC 組合靶具有更好的抗沖擊性能。

此外，重要基礎設施也可能會遭受到多次沖擊的威脅，因此一些學者也對混凝土類結構在多次沖擊荷載下的損傷規律進行了研究。Gomez 等基于Forrestal 等單次侵徹模型和試驗數據提出了多次沖擊下彈體侵徹深度的預測模型，并且利用該模型預測了小尺寸彈體多次侵徹半無限混凝土靶體的侵徹深度。賴建中等在Gomez 等研究的基礎上，修正了與靶體抗壓強度有關的多次侵徹計算經驗公式。李金城進行了兩發彈體以不同軸距侵徹混凝土的試驗，發現二次侵徹的彈孔偏轉方向受兩次侵徹彈體的著靶點間距影響。另外，研究發現纖維增強混凝土可以很好地抵抗彈體第二次打擊。向混凝土中加入鋼纖維和玄武巖纖維，超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）對多次打擊的抵抗力會顯著提高。同樣采用鋼纖維和聚乙烯醇纖維制成的UHTCC 靶在兩次沖擊荷載作用下仍然可以保持完整性。王會芳利用UHTCC 制備出了雙層功能梯度靶體，對其進行了多次重復侵徹試驗，發現功能梯度靶體在抗侵徹深度方面較C50 混凝土靶體具有明顯的優勢。然而，目前關于UHTCC材料和組合結構在抗多次沖擊荷載下的研究仍然非常有限，因此，研究UHTCC 材料和UHTCC 組合靶體在二次打擊荷載作用下的破壞規律就顯得尤為重要。

本文首先對UHTCC 靶體、聚乙烯醇纖維增強混凝土(polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, 簡記為FRC)靶體和UHTCC-FRC 組合靶體進行二次打擊試驗，獲取不同靶體的破壞數據；然后通過對比普通混凝土、超高性能混凝土，總結UHTCC 的抗侵徹性能；最后，系統地分析骨料、結構形式和兩次打擊的間距對UHTCC 組合靶體抗侵徹性能的影響，以期為UHTCC 類材料在抗侵徹結構設計方面提供依據。

1 試驗方案

1.1 侵徹試驗方法

圖1 為侵徹試驗的現場布置示意圖, 子彈沖擊圓柱形UHTCC 組合靶體，靶體采用周向鋼圈約束。發射裝置為25 mm 滑膛炮，炮口距離靶體3 m。著靶速度由錫箔靶與電子計時儀測出。靶體安放在支架上，調整木楔讓靶體表面與炮口軸線垂直。彈體始終以560 m/s 的速度垂直入射靶體。

圖1 試驗布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test layout

1.2 靶體

實驗所用原料為：預先配置好的膠凝材料、減水率大于40% 的聚羧酸高效減水劑、細度模數為2.5 的普通砂、粒徑為30 mm-50 mm 的玄武巖（basalt aggregates, BA）和剛玉（corundum aggregates, CA）骨料、長度為12 mm、直徑為0.039 mm 的PVA 纖維、普通自來水。用以上原料按表1 配合比配制UHTCC、聚乙烯醇纖維增強玄武巖骨料混凝土(FRC-BA)和聚乙烯醇纖維增強剛玉骨料混凝土(FRCCA)。

表1 UHTCC 和FRC 各組分的質量濃度（kg/m3）Table 1 Mass concentrations of components (kg/m3) in UHTCC and FRC

UHTCC 澆筑采用強制式臥軸攪拌機攪拌，先將混合好的膠凝材料（水泥、粉煤灰、精細砂與減水劑）干拌2 min，隨后加入水攪拌2 min，然后把PVA 纖維均勻加入繼續攪拌5min。聚乙烯醇纖維增強混凝土（FRC-BA 和FRC-CA）用JZC-150 式攪拌機攪拌，先將混合好的膠凝材料、粗骨料與水加入并攪拌5 min，之后均勻撒入PVA 攪拌3 min。以上各組材料按表1 配合比進行攪拌。復合靶澆筑時，待已澆筑好的材料層初凝后（6 h），再在其上澆筑下一層，澆筑時先將表面用清水濕潤。澆筑好的靶體，并澆水養護14 d，之后在室溫下養護至28 d 齡期。同時澆筑抗壓、抗拉試件若干組。

考慮到當靶體直徑大于20 倍彈徑時，可以忽略邊界效應，同時彈體在560 m/s 初速度下不能貫穿靶體。因此將靶體設計為圓柱體，具體尺寸為 ? 750 mm×600 mm，側面用4 mm 厚鋼板箍緊。本次試驗一共澆筑了5 個靶體，具體設置如圖2 所示。1 號為UHTCC 靶；2 號為FRC-BA 靶體，一側表面有50 mm厚的UHTCC 層；3、4、5 號靶為UHTCC-FRC 組合靶體，由50 mm 厚的UHTCC 層與150 mm 厚的FRC 層交替組成，其中3、4 號靶為UHTCC 和FRC-BA 組成的組合靶體，5 號靶為UHTCC 和FRC-BA 組成的組合靶體。考慮到侵徹深度較小或著彈點間距較大，對2 號、5 號靶正面和背面各進行了二次侵徹試驗，3、4 號靶體相同但打擊面不同，迎彈面共有7 種不同結構。

圖2 試驗靶體的結構形式Fig. 2 Structure types of test target

圖3 UHTCC 直接拉伸測試Fig. 3 UHTCC uniaxial tensile test

養護28 天后測得三種材料的抗壓強度、抗拉強度和密度如表2 所示：其中UHTCC 的抗壓強度試件采用70.7 mm 的立方體，FRC 的抗壓強度試件采用100 mm 的立方體，加載速率均為300 kN/min。UHTCC 的抗拉強度按圖3(a)所示的裝置進行測量，得到的UHTCC 拉伸應力應變曲線如圖3(b)所示，具體方法按照文獻[35]中推薦的狗骨頭形狀以便整個受拉過程保持軸心受拉。FRC 則按照圖4(a)所示的裝置進行測量，得到FRC 拉伸應力應變曲線如圖4(b)。兩種類型的拉伸加載速率均為0.2 mm/min。

圖4 FRC 直接拉伸測試Fig. 4 FRC uniaxial tensile test

表2 UHTCC 和FRC 的力學參數Table 2 Mechanical parameters of UHTCC and FRC

1.3 彈體

尖卵形彈體材質為30GrMnSiNi2A 低合金超高強度鋼，淬火后抗拉屈服強度可達1650 MPa，由25 mm 滑膛炮發射，并以580 m/s 的彈速出膛，彈體外形與尺寸如圖5 所示。彈體直徑25 mm，頭部曲徑比（CRH）為3，長徑比為6，壁厚與彈徑之比為0.14，底托為尼龍材質，彈體內部填入惰性材料調整彈體質量，平均發射質量為352.9 g。

圖5 彈體尺寸Fig. 5 The size of projectile

2 試驗結果與UHTCC 抗侵徹性能

2.1 試驗結果

采用高速攝影機采集彈體著靶姿態、拍攝彈體飛行、彈體與靶體初始相互作用過程。彈體在撞擊到UHTCC 靶體后，著彈點附近的UHTCC 材料在高擠壓、剪切和拉伸應力的作用下開始剝落，并且這些材料介質沿著彈體前進的反方向噴出，形成了較為規則的彈坑。這一現象可以清楚地從圖6 中看到。

圖6 高速攝影記錄彈體撞擊靶體過程Fig. 6 Process of the projectile impacting the target recorded by high-speed photography

每次侵徹后測量了不同UHTCC、FRC 以及UHTCC 組合靶體的損傷參數，具體如表3 所示：為彈體質量，為彈體速度，為二次打擊位置與第一發著彈點之間距離，為侵徹深度，為彈坑深度，為彈坑平均直徑（=(+++)/4，具體如圖7(a) 所示），與為每發彈體造成的彈坑面積（=π/4，由Photoshop 軟件根據試驗照片計算得出，具體如圖7(b)所示），為迎彈面貫穿裂紋條數，為最大裂紋寬度。實驗編號具體含義為：T 代表靶體編號，P 代表彈體打擊靶體的迎彈面（其中1 為下表面，2 為上表面，見圖2），編號最后一位的1 和2 分別代表第1 發和第2 發打擊試驗。

表3 錯位打擊下不同靶體的侵徹試驗結果Table 3 Penetration test results of different targets subjected to dislocation impact

圖7 靶體的迎彈面損傷Fig. 7 Target impact surface damage

表3 對比了第一發彈體和第二發彈體所造成靶體的開坑深度，可以發現：除了T1 靶體外，其他靶體則是第二發彈體引起的開坑深度都小于第一發彈體。造成這一現象的原因是：彈坑的形成是由彈體的直徑、彈體沖擊后的應力波和靶體介質的強度共同作用。一方面是因為第一發彈體沖擊UHTCC、UHTCC 和FRC 組合靶體后，會在彈坑周圍形成很多微觀和宏觀裂縫面，這時當第二發彈體再沖擊靶體所產生的應力波在穿過這些裂縫面時，會發生多次反射，從而降低了應力波的破壞能力，另一方面，雖然第一發彈體的沖擊會使彈坑周圍靶體介質的受損，但是由于靶體中存在大量的PVA 纖維，會阻止靶體介質的強度迅速下降。因此第二發彈體造成的開坑深度要小于第一發彈體所引起的開坑深度。

分別對5 種不同分層的組合靶體進行錯位侵徹實驗。由于各種組合靶具有不同分層設置且各層材料的強度也不一樣，因此，靶體抵御彈體沖擊的能力不同，同時靶體的損傷狀況也不一樣。圖8 為各個靶體迎彈面的破壞形態：其中為第一發彈體侵入靶體的深度、為第二發彈體侵入靶體的深度、為第一發彈體所引起的平均彈坑直徑、為第二發彈體所引起的平均彈坑直徑。

圖8 初次和二次打擊下不同靶體的破壞形貌Fig. 8 Destruction morphology of different targets subjected to the first and second strike

從第1 次和第2 次侵徹后靶體的破壞形態來看，UHTCC 的迎彈面受損程度要遠小于加入粗骨料的FRC，具體如圖8(a)和8(b)所示，這是由于加入粗骨料會增加材料的脆性，使得FRC-BA 和FRC-CA 靶體的迎彈面在高速沖擊荷載下會形成較大的彈坑和更多的裂縫。通過T2-P1、T4-P2、T5-P1 與T2-P2、T3-P2、T5-P2 的迎彈面損傷程度，可以看出，以UHTCC 為迎彈面的組合靶相較于有骨料的FRC 為迎彈面的組合靶在錯位打擊后具有更小的迎彈面開坑和更少的裂縫，但其裂縫依然多于UHTCC 靶體，因此將無骨料的UHTCC 置于迎彈面可以有效降低彈體沖擊后的開坑大小和裂紋的擴展。

侵徹試驗結束后，從上述靶體中取得彈體如圖9 所示，可以看出侵徹UHTCC 靶體的彈體整體結構良好，未發生的變形，彈體頭部也未出現明顯的刮擦痕跡，但是侵徹含有玄武巖和剛玉骨料靶體（FRC-BA和FRC-CA）的彈體頭部損傷非常嚴重，并且發生了一定程度的變形。可見FRC-CA 和FRC-BA 靶體在抗彈體侵徹方面要優于UHTCC 靶體。

圖9 試驗后回收的彈體Fig. 9 Recovered projectiles after the test

2.2 UHTCC 的抗侵徹性能

圖10 對比了T1-P2 與T2-P1 打擊面前后彈打擊破壞狀態，發現FRC-BA 開坑直徑與開坑深度均大于UHTCC。FRC-BA 開坑直徑相較于UHTCC 增加了40%，是由于玄武巖骨料的加入使材料韌性下降。而向UHTCC 中加入玄武巖骨料，以同體積玄武巖取代UHTCC，會使FRC-BA 的強度提高30%，且彈體第1 次侵入FRC-BA 靶體深度相較于UHTCC 靶體會降低22%，彈體第二次侵入深度會降低23%。這主要是由于FRC-BA 靶體的強度高于UHTCC 靶體，同時彈體接觸到高強度的骨料可能會發生一定的角度偏轉。

圖10 骨料對彈坑直徑和侵徹深度的影響Fig. 10 Influences of the coarse aggregate on crater diameter and depth of penetration

收集了與本次研究相同彈體沖擊情況下相關文獻的實驗數據，并對比分析了以不同速度沖擊不同類型混凝土靶體后的侵徹深度和迎彈面平均開坑直徑，見圖11 和圖12。從圖11 中可以看出相同彈體速度下UHTCC 的侵徹深度要遠大于高強混凝土（HSC）和超高性能混凝土（UHPC），這主要是由于UHTCC 材料本身強度和彈性模量都較低，以及UHTCC 靶體中無粗骨料存在。然而，從圖12 可知：UHTCC 靶體表面打擊后幾乎沒有裂縫，開坑面積非常小；有50 mm 厚UHTCC 表面層組合靶體的開坑與UHTCC 靶體基本相同；FRC-BA 表面開坑直徑相對UHTCC 有所增加。與UHPC-CA/BA、UHPCSF/PF 和HSC 等高性能混凝土開坑進行對比，發現UHTCC 開坑直徑最小，抗開坑能力最優。而FRCBA 開坑面積與125 MPa的UHPC-CA/BA 以及120 MPa 的UHPC-PF 相近，并遠小于61 MPa 和100 MPa 的HSC，顯示出FRC-BA 也具有良好的抗開坑性能。表明強度對于開坑直徑影響不顯著，而韌性對于開坑直徑影響顯著，韌性越高，靶體表面開坑越小。

圖11 侵徹深度與彈體的沖擊速度[36-38]Fig. 11 Depth of penetration versus striking velocity of projectile[36-38]

圖12 彈坑直徑與彈體沖擊速度[36-40]Fig. 12 Crater diameter versus striking velocity of projectile[36-40]

3 靶體的抗侵徹性能分析

3.1 抗首發打擊性能

T5 靶與T3、T4 靶具有相同的組合結構，而采用的粗骨料不同。圖13 對比了彈體分別打擊結構形式相同而骨料不同的復合靶體的開坑大小和侵徹深度。可以看出：FRC-CA 和FRC-BA 具有基本相同的抗壓強度和抗拉強度，彈體初次侵入FRC-BA 和UHTCC 組合靶體的深度相較于FRC-CA 和UHTCC 組合靶體減小了27%，開坑直徑也更小。這表明FRC-CA 抗侵徹性能更好，這是由于剛玉骨料的硬度要大于玄武巖骨料的硬度。

圖13 骨料強度（硬度）對彈坑直徑和侵徹深度的影響Fig. 13 Influences of the coarse aggregate strength (hardness) on crater diameter and depth of penetration

圖14 對比了具有相同靶體結構和骨料但表面層不同的靶體（T2-P1、T2-P2 和T3-P2、T4-P2）的抗侵徹性能。由圖14 可見，將UHTCC 置于組合靶體的迎彈面時，靶體開坑直徑相較于迎彈面無UHTCC 減小30%，但侵徹深度增加約10%。而UHTCC 表面層開坑深度都在50 mm 內，開坑發生在表面層內。這說明UHTCC 表面層有效的減小了開坑。由于UHTCC 本身強度較低，導致組合靶體整體抗侵徹性能出現一定程度的降低。

圖14 UHTCC 位于表面層對組合靶的抗侵徹性能的影響Fig. 14 Influence of UHTCC in the top layer on the penetration resistance of composite targets

圖15 對比了骨料和打擊面材料相同但中間層結構不同的靶體的抗侵徹性能。由圖15 可知，當存在UHTCC 中間梯度層時靶體開坑直徑沒有明顯影響，彈體侵徹深度略微增加。這說明將50 mm 厚的UHTCC 層置于FRC-BA 的中間層對組合入靶體的抗侵徹性能沒有明顯的改善。

圖15 UHTCC 位于中間層對組合靶的抗侵徹性能的影響Fig. 15 Influence of UHTCC in the middle layer on the penetration resistance of composite targets

3.2 抗二次打擊性能

圖16 對比了相同靶體及打擊面受到兩次打擊的開坑面積及侵徹深度。由圖16 可以看出后彈開坑面積普遍小于前彈，而侵徹深度普遍增加。這說明打擊后靶體損傷的存在降低了靶體抗侵徹性能。

圖16 重復打擊對彈坑面積和侵徹深度的影響Fig. 16 Influences of repeated impacts on craters areas and depth of penetration

圖17 統計了無量綱的二次侵徹深度比（/，第2 發彈體侵徹深度與第1 發彈體侵徹深度的比值）與無量綱的彈著點相對偏差距離(/，其中為彈體直徑)關系，發現相同彈速下，再次打擊總侵徹深度不會超過2 倍的前彈侵徹深度。而且隨著彈著點偏差的增加，再次打擊侵徹深度比接近于1。這表明前彈損傷范圍在靶面平面向上有限，對于本試驗靶體，當彈著點相對偏差距離大于8 時，第一發彈體對靶體的影響基本可以忽略。

圖17 彈著點相對偏差距離與二次侵徹深度比之間的關系Fig. 17 Relationship between the relative deviation distance of the impact point and the second penetration depth ratio

4 結 論

通過開展對UHTCC、FRC 和組合靶體的二次打擊試驗，獲得了各個靶體的破壞數據和迎彈面破壞形態，經過分析得出了以下結論：（1）相同試驗條件下，與普通混凝土和超高性能混凝土相比，UHTCC 能夠有效的減小迎彈面的開坑直徑，但會增加彈體侵徹深度；（2）向UHTCC 中加入粗骨料制成的FRC 能夠使抗壓強度提高30%，彈體的侵徹深度降低22%，但開坑直徑增加了40%；此外，加入骨料的硬度越大，這種降低效果越明顯；（3）將50 mm 厚的UHTCC 層置于組合靶體的迎彈面可以有效的減小組合靶體的迎彈面開坑直徑，將50 mm 厚的UHTCC 層置于組合靶體的中間層對組合靶體的抗侵徹性能沒有明顯的改善；（4）相同靶體，在相同彈體沖擊速度下，彈體二次侵徹深度大于彈體一次侵徹深度，靶體在二次沖擊下的開坑面積小于靶體初次沖擊下的開坑面積。