高强混凝土在冲击荷载下的力学性能

刘俊良，许金余,2，任韦波

(1.空军工程大学机场建筑工程系，西安　710038;2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安　710072)



高强混凝土在冲击荷载下的力学性能

刘俊良1，许金余1,2，任韦波1

(1.空军工程大学机场建筑工程系，西安710038;2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710072)

随着混凝土配比以及施工技术的改进，高强混凝土得到广泛使用，本文利用直径100mm的分离式霍普金森压杆试验系统，研究了不同应变率下高强混凝土的动态力学性能，并对其动压强度、峰值应变、弹性模量及破坏形态的变化规律进行分析。结果表明：随应变率增大，高强混凝土的动压强度、峰值应变及破坏程度均呈上升趋势，表现出明显的应变率效应，同时，弹性模量则未出现明显变化趋势。高强混凝土具有更大的动压强度，但相对增幅下降，具有较小的率敏感性，现有CEB公式并不能有效拟合高强混凝土DIF值。同时，高强混凝土动弹性模量较大，峰值应变较小，其变形能力降低。在破坏形态分析中，高强混凝土具有更多的细小碎粒，破坏程度更大。

SHPB； 高强混凝土； 率敏感性； 动态力学性能

1　引　言

混凝在现代建筑中广泛应用，而高强混凝土由于强度高、节省空间的巨大优势在工程中得到广泛使用，然而针对高强混凝土的研究往往集中于收缩、徐变、弹性模量及耐久性等静态力学性能[1-4]，而混凝土结构在实际使用过程中难免因风荷载、地震、爆炸等承受动荷载。混凝土作为一种应变率敏感的材料，在冲击荷载下势必呈现出与静荷载作用不同的力学性能。Atchley等[5]测试了强度为17.2MPa、25.5MPa和34.5MPa的混凝土的动力学性能，但混凝土强度较小；Bischoff等[6]分别对抗压强度为30MPa和50MP的混凝土进行了动态抗压试验，但强度跨度较窄，且应变率较低；Ross等[7]采用SHPB装置立方体抗压强度为16～50MPa的混凝土试件进行了冲击试验，但混凝土强度仅限50MPa以下。严少华等[8]针对静态抗压强度为87MPa的高强混凝土进行了冲击试验，但仅对其应变率效应进行了简要分析；张扉[9]针对C80试件，进行了动态压缩试验，但应变率同样只有10-3～10-1s-1。

可以看出，针对高强混凝土动态力学性能的影响还存在一些不足，而随着混凝土配比以及施工技术的改进，高强混凝土得到广泛使用，位于亚洲迪拜高达150层的迪拜塔则成功应用80MPa高强混凝土构建混凝土框架结构，并显著降低工程成本[10]。此外，高强混凝土在框架结构中应用普遍，研究高强混凝土在高应变率下的动态力学性能，对于抗震设计、爆炸评估等都具有重要意义。

本文通过SHPB系统对C30、C80强度等级的混凝土试件进行了冲击测试，并对高强混凝土动压强度、峰值应变、弹性模量及破坏形态的变化规律进行了分析。

2　试　验

2.1原材料与试件制备

原材料：(1)水泥：42.5R、52.5R级普通硅酸盐水泥；(2)粉煤灰为韩城第二发电厂生产的F类 级粉煤灰具体指标见表1，试验所用粉煤灰经检验为395m2/kg；(3)硅灰为西安霖源微硅粉有限公司生产的微硅粉具体指标见表2，其比表面积经检验为22m2/g；(4)石灰岩碎石：密度2.70g/cm3，粒径5～10mm；(5)中砂，密度2.63g/cm3，细度模数2.78；(6)FDN高效减水剂：建宝新型建材有限公司生产的FDN高效减水剂，减水率20%；聚羧酸减水剂：陕西中易化工有限公司生产的ZY-PCA型聚羧酸高性能减水剂，减水率36%；(7)自来水。混凝土配合比如表3所示。

表1　粉煤灰主要指标检验结果

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，制备基体强度等级C30及C80的混凝土。具体制备过程为：制备混凝土拌合物，将混凝土拌合物分散、搅拌均匀后分别装入立方体和长圆柱体钢模，并利用振动台和插入式振捣棒振捣成型；1d后拆模，移入养护室进行为期28d的标准养护；而后将试件取出按SHPB试验要求对长圆柱体试件进行切割、打磨。试件规格分两种：即用于静态压缩试验的标准立方体试件(150mm×150mm×150mm)和用于动态试验的短圆柱体试件(φ98mm×50mm)。

2.2试验方法

准静态压缩试验采用HYY型电液伺服材料试验系统，加载速率0.5MPa/s。动态压缩试验采用 100mmSHPB试验系统(见图1)，试件端部采用擦涂油脂进行润滑的方式以消除端部摩擦效应；为增加脉冲的上升沿时间，使试件内部应力均匀，采用厚度1mm、直径30～50mm的铝质圆片作为波形整形器[11]。根据一维应力波传播规律，可对试件应力、应变及应力应变历史进行如下计算。

(1)

式中：AS、LS分别为试件的横截面积及长度，C、E、A分别为压杆的波速(m/s)、弹性模量(GPa)及横截面积(mm2)，εI、εR、εT分别为测得的入射、反射和透射脉冲由超动态应变仪和波形存储器等进行转换记录。

图1　100 mm SHPB试验系统Fig.1　100 mm diameter SHPB system

图2　不同强度等级混凝土动压强度与应变率关系Fig.2　Relationships between dynamic compressive strength and strain rate for different grade concrete

3　结果与讨论

3.1强度分析

C30、C80混凝土的静态抗压强度分别为34.7MPa和83.5MPa。图2是试件的动压强度随应变率的变化关系，这里选用平均应变率作为应变率的代表值。试件动压强度与应变率之间的关系可回归如式2：

(2)

可以看出，两组试件动态抗压强度均随应变率增大而增大，具有明显的应变率效应。这主要是由于混凝土在承受冲击荷载时，内部裂缝迅速开展，但由于加载速度过快，试件裂缝并未贯通水泥与骨料结合的过渡区，而是在基体或骨料中发展更多的裂缝形成破坏，因此，具有更高的强度。当应变率处于60s-1附近时，C30及C80混凝土强度提升比率分别为74.4%和42.1%。这表明了混凝土动压强度提升比率随其强度等级提升而下降。同时，C30及C80混凝土试件在应变率60s-1相对20s-1时的强度增幅分别为31.6MPa和37.6MPa，表明混凝土在冲击荷载下强度增幅随强度等级提升而增大，但增大幅度减小。这是由于在冲击荷载下，混凝土由过渡区开裂逐渐转向骨料贯通开裂，而本文骨料均采用石灰石，因此不同强度等级的混凝土具有相近的强度增幅。

为进一步分析不同等级混凝土的应变率效应，对试件DIF进行分析，DIF为试件动压强度与静压强度之比，研究人员多采用DIF分析其应变率效应。CEB[12]指出试件抗压强度越高，其DIF越大。下面是CEB给出的DIF计算公式。

(3)

图3　CEB的DIF计算模型与不同强度等级混凝土试验结果对比Fig.3　Comparison between DIF model of CEB and experimental results for different strength concrete

图3给出了不同强度等级混凝土的DIF随应变率的变化关系及结合CEB公式的拟合结果，可以发现，当混凝土强度等级为C30时，CEB能较好的拟合试验结果，但混凝土等级提升到C80时，CEB给出的公式并不能对试验结果进行有效的拟合，且与试验明显不符。CEB的公式于1990年提出，当时高强混凝土并未普及并推广，这是其规范能较好反映普通混凝土而对高强混凝土适用性的可能性原因。目前，高强混凝土在建筑的各个方面都有较为普遍的应用，因此，需要对规范进行相关修正，可收集大量高强混凝土工程及试验数据，进而提出不同强度均能适用的公式。

3.2变形分析

峰值应变即试件到达峰值应力时对应的应变，是表征试件冲击变形特性及描述试件变形失稳破坏的重要指标。图4为各组试件的峰值应变随应变率的变化关系，式4给出了峰值应变的回归公式。

(4)

可以发现：(1)混凝土试件峰值应变均随应变率增大而增大，以C30为例，当应变率从20s-1增大到60s-1时，试件峰值应变增幅较大达50.6%。这是由于混凝土在承受冲击荷载时，在裂缝开展产生变形后由于加载过快使混凝土仍具有承受能力，因此具有较大的峰值应变。(2)同一应变率下，各等级强度混凝土峰值应变的大小关系为C30>C80，在应变率从20s-1到60s-1的过程中，C30峰值应变增大了0.00411，而C80混凝土峰值应变仅增大0.00217，且在拟合公式中C80混凝土具有较小的增长率。也就是说高强混凝土不仅峰值应变较低，其率敏感性也较小。这种现象可结合混凝土中的空隙、孔隙的分布来进行分析。Kumar等[13]在研究中给出了混凝土中孔隙率关于混凝土强度的变化规律，混凝土强度越高，其内部结构越密实。因此，在承受冲击荷载时，低强度等级的混凝土内部具有较多的孔隙导致了其具有较大幅度的变形空间，与之相反，高强等级混凝土变形空间就小，这导致高强度等级的混凝土在冲击荷载下的峰值应变具有较低的率敏感性。

图4　不同强度等级混凝土峰值应变与应变率的关系Fig.4　Relationships between dynamic peak strain and strain rate for different grade concrete

图5　不同强度等级动弹性模量与应变率的关系Fig.5　Relationships between dynamic elastic modulus strain and strain rate for different grade concrete

3.3弹性模量分析

弹性模量是描述混凝土弹性性能的重要参数，对结构设计及破坏评估有重要意义。定义弹性模量Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分别代表0.6倍和0.4倍的峰值应力，ε0.6和ε0.4代表相应应力下应力应变曲线上升段对应的应变值。图5是不同强度等级的混凝土试件动弹性模量随应变率的变化关系，可以看出，随应变率增大，试件动弹性模量在一定范围内波动，并未出现明显变化趋势。这也表明混凝土动弹性模量不具有明显的率敏感性。这是由于混凝土在初始加载阶段并没有产生明显的微裂缝，试件的刚度并不会发生明显的改变，因此试件在冲击荷载下的弹性模量不会有明显变化。关于混凝土材料动弹性模量率敏感性的研究向来存在争议：本文得出的结论与Lok等[14]研究观点相同，即混凝土动弹性模量不随应变率变化而变化。而Wang等[15]发现动弹性模量随应变率增大而增大，Su等[16]的研究则给出了动弹性模量随应变率增大而减小的结论。这可能由于在冲击荷载下，不同试件微裂缝的开裂差异、不同部位的强度差异均会对其弹性模量造成显著的影响，而试验条件的不同，测试手段等都会对结果产生影响，这可能是不同学者对动弹性模量有所争议的原因之一。再者，在本文中，将弹性模量定义为Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4)。这是由于，应力应变曲线初始阶段稳定性较差，得到的曲线离散性大，基于此，很多学者都进行了相应的改进，Dhir等[17]及Zielinski等[18]采用割线模量对混凝土动态弹性模量进行表征，Rostasy等[19]则采用初始切线模量进行表征，但都存在一定争议。Su等[16]则在文章中将动态弹性模量定义为：Ed=(σ0.6-σ0.4)/(ε0.6-ε0.4), σ0.6和σ0.4分别代表0.6倍和0.4倍的峰值应力，ε0.6和ε0.4代表相应应力下应力应变曲线上升段对应的应变值。这种定义方法即克服了采用初始切线模量时，混凝土动态应力应变曲线初始部分的不稳定性，又克服了采用割线模量时，混凝土破坏时应力应变的较大离散，而选取的0.6倍和0.4倍的峰值应力阶段也是曲线的平稳上升阶段，此时混凝土的变形稳定且与加载密切相关，较好的反映了混凝土的应力-应变之间的变化关系，动弹性模量定义的不同也许是动弹性模量结果出现争议的另一个原因。

图5表明C80混凝土的动弹性模量明显大于C30混凝土，这是因为混凝土强度等级较低时，试件内部存在较多孔隙，在初始加载阶段，这些微孔隙会逐渐挤压，因此产生较大的形变，因此其弹性模量也小，而强度等级较高的混凝土由于水灰比较小，因此水分流失残留的微孔隙也小，这也使高强混凝土具有较大的弹性模量。

3.5冲击破碎分析

试件的破碎形态和碎块分布能较好的反映混凝土试件在承受冲击荷载时的破坏程度。图6是不同应变率下GC试件的典型破坏形态，可以看出应变率越大，试件破坏程度越严重，试件碎块数目更多、尺寸等级也更小。(2)在较低应变率下，试件主要呈轴向劈裂式破坏，碎块形状多为尺寸较大的条状或块状，在较高应变率下，试件主要呈压碎式破坏，出现了大量的细粒、微粒碎屑；(3)高强混凝土破坏时产生的细粒更多，破坏程度也更大。

图6　不同强度等级混凝土不同应变率下的典型破坏形态Fig.6　Typical failure patterns of different grade concrete under different strain rates

4　结　论

(1)C30和C80混凝土的动压强度、峰值应变及破坏程度均随应变率增大而增大，具有明显的应变率效应，而弹性模量并未随应变率增大出现明显的变化趋势；

(2)高强混凝土具有更大的动压强度，但相对增幅下降，具有较小的率敏感性，现有CEB公式并不能有效拟合高强混凝土DIF值；

(3)高强混凝土动弹性模量较大，峰值应变较小，其变形能力下降；

(4)在混凝土冲击破碎分析中，高强混凝土产生的细小碎粒更多，破坏程度越大。

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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

国家自然科学基金资助项目(51378497，51208507)

刘俊良(1992-)，男，博士研究生.主要从事混凝土应用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0261-06