基于SHPB試驗的碳納米管增強混凝土動態壓縮行為研究

關鍵詞：混凝土；碳納米管；分離式霍普金森壓桿（SHPB）；動態力學特性；沖擊能量耗散

混凝土在土木工程建設中使用廣泛，但隨著各種建（構）筑物的服役環境日趨復雜化和極端化，傳統混凝土材料由于脆性較大、韌性較差，容易受損開裂，對整體結構造成不利影響，因此難以適應國防、工業等工程領域的現實需要[1-2]。此外，混凝土結構在承受自身質量、人員設備等靜態荷載作用的同時，還可能會遭到由車輛沖撞、武器打擊、彈藥爆炸等偶然因素引起的動態荷載作用，這些均對混凝土材料的抗沖擊性能提出了更加嚴苛的要求[3-5]。因此，有必要進一步研制和設計新型混凝土材料，并針對其動力性能展開深入研究。

納米材料和納米技術的蓬勃發展為混凝土帶來了嶄新的生命力。在眾多納米材料中，碳納米管（carbonnanotubes，CNTs）憑借優異的力學、電學、化學特性而備受關注，在對復合材料進行改性方面具有極大潛力[6-7]。碳納米管是一種具有一維管狀結構的納米級纖維，其強度、韌性俱佳，長徑比可達1000以上，抗拉強度約為鋼的100倍，彈性模量約為鋼的5倍，被視作水泥基材料的理想填料和增強體[8-10]。近年來，碳納米管的生產成本有所降低，生產規模逐步擴大，碳納米管增強水泥基材料成為學者們聚焦的研究熱點。Collins等[11]發現使用聚羧酸鹽外加劑可以改善碳納米管在低水灰比水泥漿體中的分散性，減少碳納米管團聚現象的發生，從而使得硬化水泥漿體的抗壓強度提高了25%。Rocha等[12]探討了碳納米管對水泥漿體斷裂能、彎曲和拉伸性能的影響，發現當碳納米管的摻量達到0.10%（占膠凝材料的質量比例）時，水泥漿體的斷裂能提高了90%，抗彎強度和抗拉強度的增長幅度超過了45%，碳納米管可以作為水泥水化產物的成核位點，抑制微裂紋的形成與擴張。Parveen等[13]以PluronicF-127為分散劑制備出碳納米管增強水泥砂漿，試驗結果表明，與普通水泥砂漿相比較，碳納米管增強水泥砂漿表現出更優越的物理力學性能。Li等[14]利用硫酸和硝酸混合液對碳納米管進行改性處理，進而將其添加到水泥漿體中，力學試驗結果顯示，水泥漿體的強度和破壞應變均獲得了顯著提高，碳納米管通過發揮填充效應和橋接效應保證了水泥漿體內部荷載的傳遞。Gao等[15]針對碳納米管直徑對水泥基材料基本力學性能和微觀結構的影響進行了研究，發現水泥基材料的抗壓強度隨碳納米管直徑的增大而減小，抗折強度則隨碳納米管直徑的增大而增大，微觀測試表明，直徑為10～20nm的碳納米管更有助于優化水泥基材料的孔隙結構。鄭冰森等[16]制備了不同碳納米管摻量（0.05%、0.10%、0.15%）的混凝土，并對碳納米管增強混凝土的斷裂性能進行了系統分析，結果表明，碳納米管在混凝土內部具有一定的橋接作用，對混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、起裂韌度、失穩韌度以及斷裂能均具有良好的增強效果。黃山秀等[17]進行了碳納米管增強混凝土的單軸壓縮試驗，研究了碳納米管摻量（0.05%、0.10%、0.30%、0.50%）和應變率（5×10?3、2×10?4、1×10?5s?1）對混凝土力學性能與能量演化特征的影響規律，指出當碳納米管摻量相同時，混凝土的單軸抗壓強度隨應變率的增大而增大，在相同應變率條件下，混凝土峰值應力處各能量隨碳納米管摻量的增加先增大后減小。

從上述研究成果可知，碳納米管能夠通過填充、橋接和成核效應改善水泥基材料的宏觀性能和微觀結構。然而，目前有關碳納米管增強水泥基材料的研究對象主要為水泥凈漿或砂漿，且大多數研究集中于靜態荷載作用下改性水泥基材料的基本力學特性，關于碳納米管增強混凝土（含有粗骨料的改性混凝土體系）特別是其在中高應變率沖擊荷載作用下動態響應的探索和認知仍然比較缺乏。基于此，本文中采用直徑為100mm的分離式霍普金森壓桿（splitHopkinsonpressurebar，SHPB）試驗裝置，分別對普通混凝土和4種摻入碳納米管的混凝土（摻量分別為0.10%、0.20%、0.30%、0.40%）進行不同加載水平（沖擊速度依次約6.8、7.8、8.8、9.8、10.8m/s）的沖擊壓縮試驗，探究碳納米管摻量和沖擊速度對混凝土動態壓縮行為的影響。以期提供碳納米管增強混凝土的相關動力學參數，為揭示其在沖擊壓縮荷載作用下的力學性能以及能耗特征提供參考。

1試驗原料與方法

1.1原材料

混凝土是由膠凝材料、粗骨料、細骨料以及水等組分構成的復合材料。在本試驗中：膠凝材料采用海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組成如表1所示。粗骨料采用連續級配的石灰巖碎石，其粒徑為5～20mm。細骨料采用天然河砂，其細度模數為2.68，表觀密度為2640kg/m3。拌合用水采用普通自來水。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，其減水率為27%。消泡劑采用W-803型磷酸三丁酯消泡劑。碳納米管為江蘇先豐納米材料科技有限公司生產的羧基化多壁碳納米管，其主要性能參數如表2所示；同時采用該公司提供的碳納米管水分散劑，分散劑類型為非離子表面活性劑。

1.2配合比及試件制作

基于文獻[18-19]，分別制備了普通混凝土（作為對照組）以及4種加入碳納米管進行改性的混凝土（作為試驗組）。碳納米管在混凝土中的摻量按照水泥的質量分數進行計算，根據控制變量法原則，碳納米管摻量依次取為0.10%、0.20%、0.30%和0.40%，最終設計的混凝土配合比如表3所示。在制備混凝土之前，需要預先分散碳納米管：將稱量好的碳納米管粉末、分散助劑、減水劑、消泡劑置于燒杯中，按比例添加水并使用玻璃棒充分攪拌，初步獲得碳納米管分散液；采用超聲波清洗機對碳納米管分散液進行水浴式超聲處理，如圖1所示，適時（5min）取出燒杯并將其放入冰水混合物中冷卻降溫，然后繼續進行超聲分散。重復6次超聲-降溫處理，即可得到均勻穩定且不易再次團聚的碳納米管懸浮液。

試驗所需混凝土試件的制作步驟如下：將砂、碎石、水泥倒入攪拌機中干拌2min；加入碳納米管懸浮液以及另外的減水劑、消泡劑與水的混合液，開機攪拌2min；將混凝土拌合物裝入圓柱體模具，放置在振動臺上振搗密實，隨后將其移入溫度為（20±2）℃、相對濕度（RH）大于95%的養護室，靜置24h拆模，繼續標準養護至28d齡期。養護結束后，為滿足SHPB試驗要求，將試件的兩個端面打磨光滑，確保其平整度誤差在0.02mm以內，加工完畢的試件尺寸約為98mm×48mm。

1.3試驗方法

為更加準確地反映材料真實的動力性能，采用直徑為100mm的SHPB試驗裝置進行混凝土沖擊壓縮試驗。如圖2所示，SHPB試驗設置主要由主體試驗系統、能源動力系統以及數據采集系統三部分組成[20]。SHPB試驗原理為：空氣壓縮機將氣體存放于儲氣罐中，借助操縱臺可調節壓縮氣體傳輸至發射裝置，開啟閥門后，高壓氣體在瞬間釋放，推動炮膛內的子彈快速射出并撞擊入射桿，產生入射波εi（t）。安放在入射桿與透射桿之間的試件在入射波的加載作用下發生形變，并同時向入射桿與透射桿分別傳播反射波εr（t）和透射波εt（t）。子彈的沖擊速度由激光測速儀測試，波形信息由超動態應變儀以及波形存儲器采集。根據一維彈性應力波理論及SHPB試驗技術的基本假定，通過“三波法”處理試驗數據[21]，從而獲得混凝土的動力學基礎參數。

式中：ce為桿件中的應力波波速，Ee和Ae分別為桿件的彈性模量和橫截面積；σ（t）、ε（t）、\"˙（t）、As、Ls分別為試件的應力、應變、應變率、橫截面積和長度；τ為應力波在桿件中的持續時間。

在SHPB試驗過程中，將混凝土試件夾持在入射桿和透射桿之間，并確保試件及各個桿件的中心在同一軸線。采用銅片作為波形整形器，優化初始應力波的形狀，減小波形的高頻震蕩，降低應力波在傳播過程中的“彌散效應”，從而滿足SHPB試驗的應力均勻性要求[18，22]。同時，在試件與桿件的接觸面處均勻涂抹一層凡士林（起潤滑作用），以減小端部摩擦效應造成的不利影響[2]。本試驗共設置5種加載水平，通過調節輸入氣壓的大小（0.25～0.45MPa）進而控制子彈的沖擊速度，實際測得的子彈沖擊速度由低到高分別約6.8、7.8、8.8、9.8、10.8m/s。為保證試驗結果的可靠性，對每種工況下的平行試件進行3次重復測試。

2結果與討論

2.1應力-應變曲線

圖3為不同試驗條件下混凝土的動態應力-應變曲線，能夠直觀地反映試件在沖擊壓縮荷載作用下應力與應變之間的變化關系。綜合對比普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的動態應力-應變曲線，可以看出，曲線上升部分的初始階段略微凸向應變軸，這是由于試件內部的原始孔洞和裂隙等微缺陷在動態受壓狀態下會有一定程度的收縮閉合[23]；之后動態應力-應變曲線大致呈直線上升趨勢，試件處于線彈性階段，應力隨著應變的增加持續增大；接近峰值應力時，試件內部的局部屈服程度加劇，動態應力-應變曲線斜率有所減小，試件應力緩慢增加；經過峰值點后，動態應力-應變曲線開始進入下降段，此時混凝土已經破壞，失去承載能力，隨著應變的增加，應力逐漸減小。動態應力-應變曲線受沖擊速度的影響顯著，沖擊速度越大，曲線的形狀越“高寬”，試件應力達到的峰值越大。還可以發現，雖然普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的動態應力-應變曲線幾何形狀相似，但是在特征數值、變化幅度等方面的差別較大。例如，在同一加載水平下，碳納米管增強混凝土的最高應力值、最大應變值基本均大于普通混凝土。這表明摻入碳納米管對混凝土的動態受壓應力-應變關系具有一定影響，與普通混凝土相比較，碳納米管的加入可以提升混凝土抵抗沖擊荷載的能力。

2.2動態強度特性

為更有效地闡述混凝土在沖擊荷載作用下的強度特性，分別對試件的動態抗壓強度和動態強度增長因子進行分析。動態抗壓強度是指混凝土在沖擊壓縮過程中達到的峰值應力，圖4（a）展示了混凝土動態抗壓強度隨沖擊速度的變化規律。分析可知，普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的動態抗壓強度均隨沖擊速度的增大而增加，即動態抗壓強度表現出加載速度強化效應。原因在于混凝土受沖擊發生破壞的過程極短，試件無法依靠裂紋的迅速萌生和發育積累能量，只有通過增加應力的途徑實現能量平衡[24]。將圖4（a）中的試驗數據按照y=kx+b的函數形式進行擬合，擬合后的參數列于表4，R2為擬合優度。可以看出，混凝土動態抗壓強度與沖擊速度之間的線性相關性較強。整體而言，當加載水平相同時，較之普通混凝土試件，碳納米管增強混凝土試件的動態抗壓強度有所提升，并且提升效果與碳納米管摻量有關，當碳納米管摻量為0.30%時，提升效果相對最佳，碳納米管增強混凝土動態抗壓強度的最大增長幅度可達23.7%。另外，以加載速度為8.8m/s為例，PC的動態抗壓強度為62.7MPa，CNRC1～CNRC4的動態抗壓強度分別為63.2、68.8、72.5及66.3MPa。這說明在同一加載水平下，混凝土的動態抗壓強度隨碳納米管摻量的增大呈現出先逐漸升高而后有所下降的趨勢。這是由于當碳納米管摻量過大時，其在混凝土中的分散效果欠佳，引入了較多的裂隙等缺陷，反而對試件的動態抗壓強度產生了消極作用。

動態強度增長因子是指混凝土動態抗壓強度與靜態抗壓強度的比值（本文動態強度增長因子的計算以文獻[19]中的靜力強度為比例基準），圖4（b）展示了混凝土動態強度增長因子隨沖擊速度的變化規律。可以看出，隨沖擊速度的增大，普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的動態強度增長因子也隨之增加。經過分析，混凝土動態強度增長因子與沖擊速度之間存在正相關的線性關系，擬合結果列于表5。線性擬合之后，CNRC4的曲線斜率為0.156，大于其他組試件，這表明CNRC4強度特性的加載速度強化效應更加明顯，即摻加0.40%碳納米管的改性混凝土率敏感性更高。

2.3動態受壓變形

通過峰值應變和極限應變對沖擊荷載作用下混凝土的動態受壓變形進行分析。峰值應變是指動態應力-應變曲線中與峰值應力相對應的應變，圖5（a）展示了混凝土峰值應變與沖擊速度之間的關系。分析可知，隨沖擊速度的提高，碳納米管增強混凝土試件的峰值應變呈遞增趨勢，表現出率敏感性；普通混凝土試件峰值應變的離散程度較大，在6.8m/s加載水平下，其峰值應變明顯高于其他組試件，在7.8和8.8m/s加載水平下，其峰值應變反而低于6.8m/s加載水平（普通混凝土試件峰值應變的離散不排除因數據采集或處理誤差所致）。此外，在同一加載水平下，混凝土峰值應變隨碳納米管摻量的增大逐漸增加，但是CNRC1的峰值應變相對最小，且低于PC，這可能是因為當碳納米管摻量較小時，其在局部隨機形成了薄弱區域。極限應變是指動態應力-應變曲線中的最大應變，圖5（b）展示了混凝土極限應變與沖擊速度之間的關系。可以看出，普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的極限應變均隨沖擊速度的增大而逐漸增加，具有一定的加載速度強化效應，但極限應變與沖擊速度之間的線性關系較差，加載水平從6.8m/s增大到7.8m/s時，極限應變的增幅較大，加載水平從7.8m/s增大到10.8m/s時，極限應變的增幅變小。較之普通混凝土，在加載水平達到7.8m/s之后，碳納米管的加入能夠有效提高混凝土的極限應變，在同一加載水平下，隨碳納米管摻量的增大，混凝土峰值應變先增加后減小，CNRC3表現出相對最高的極限應變。上述情況表明，整體而言，在沖擊壓縮荷載作用下，加入碳納米管能夠改善混凝土的變形能力。

2.4能量耗散特征

混凝土承受動態荷載直至破壞的過程中伴隨著非常活躍的能量輸入、轉化、吸收和釋放。韌度能夠反映材料吸收能量的能力，可用應力-應變曲線與坐標軸包圍的面積表示[25]。在沖擊受壓狀態下，混凝土達到峰值應力之前處于微裂紋穩定擴展階段，之后微裂紋開始發生不穩定擴張，直至出現貫通的宏觀裂縫，最終使得混凝土破壞失效[20]。因此，本文分別以峰前韌度（峰值應變之前范圍內的動態應力-應變曲線與坐標軸所圍成的面積）和沖擊韌度（動態應力-應變全過程曲線與坐標軸所圍成的面積）作為指標，針對受荷混凝土沖擊破壞過程中不同階段的能量耗散特征進行分析。

圖6（a）為混凝土峰前韌度隨沖擊速度的變化趨勢。可以發現，隨沖擊速度的提高，除普通混凝土試件存在個別波動的數據點外，其他組混凝土試件的峰前韌度總體呈現出逐漸上升的趨勢，但峰前韌度與沖擊速度并沒有表現出非常明顯的線性相關性。此外，混凝土峰前韌度和碳納米管摻量之間的關系與峰值應變和碳納米管摻量之間的關系相似。圖6（b）為混凝土沖擊韌度隨沖擊速度的變化規律。分析可知，普通混凝土試件和碳納米管增強混凝土試件的沖擊韌度均隨沖擊速度的增大而提高，沖擊韌度與沖擊速度表現出正相關性，即沖擊韌度具有沖擊速度強化效應。這是因為在較大的沖擊速度下，荷載輸入的能量變大，混凝土內部發育的損傷裂紋數目有所增加，從而會形成許多個微開裂面，試件破碎程度加劇，對能量的耗散也相應增加。當加載水平相同時，CNRC3的沖擊韌度相對最大，與PC相比較，提升幅度約為10%。這說明適量碳納米管的摻入可以提升混凝土的沖擊韌度。韌度是混凝土強度特性和變形能力的綜合反映，由于CNRC3的動態抗壓強度和極限應變增幅較大，因此其沖擊韌度的提高更加顯著。碳納米管能夠通過填充、橋接、成核等作用對混凝土進行強化，提高內部結構的整體性和致密性[3，15]，同時其自身在受荷拔出及斷裂失效的過程中也需要消耗能量，這些都有利于改善碳納米管增強混凝土的抗沖擊性能。

3結論

利用SHPB試驗裝置開展了碳納米管增強混凝土的沖擊壓縮試驗，分析了碳納米管摻量和沖擊速度對混凝土動態強度特性、受壓變形以及能量耗散特征演化規律的影響，得到以下主要結論。

（1）碳納米管增強混凝土和普通混凝土的動態抗壓強度以及動態強度增長因子均隨著沖擊速度的增大而逐漸增加，并且表現出非常強的線性正相關關系，即混凝土強度特性具有顯著的率敏感性。在同一加載水平下，碳納米管增強混凝土的動態抗壓強度隨碳納米管摻量的增大呈先升后降的變化趨勢，且與普通混凝土相比有所提升，當碳納米管摻量為0.30%時，提升效果最佳，增幅可達23.7%。

（2）碳納米管增強混凝土的峰值應變隨著沖擊速度的增大呈遞增趨勢，具有一定的沖擊速度強化效應，然而當碳納米管摻量為0.10%時，其峰值應變低于普通混凝土。碳納米管增強混凝土和普通混凝土的極限應變均隨著沖擊速度的增大而提高，極限應變與沖擊速度之間表現出非線性正相關性；在同一加載水平下，隨著碳納米管摻量的增大，混凝土極限應變先增大后減小。

（3）碳納米管增強混凝土和普通混凝土的沖擊韌度均隨沖擊速度的增大而提高，即沖擊韌度具有沖擊速度強化效應，但沖擊韌度與沖擊速度之間并沒有表現出明顯的線性關系。混凝土峰前韌度的變化規律與峰值應變相似。韌度是混凝土強度特性和變形能力的綜合反映，在同一加載水平下，當碳納米管的摻量為0.30%時，混凝土的沖擊韌度相對最大，較之普通混凝土提升約10%。

（4）在沖擊壓縮荷載作用下，碳納米管增強混凝土和普通混凝土大致會經歷原始裂隙收縮閉合、近似彈性受壓發展、局部區域開始屈服以及完全破壞失效并失去承載能力等階段。適量碳納米管的摻入有效提高了混凝土抵抗沖擊荷載的能力，碳納米管能夠通過填充、橋接、晶核、拔出作用對混凝土的內部結構進行加固強化，進而改善混凝土的動態力學特性以及能量耗散特征。