王立聞，龐寶君，林 敏，張 凱，陳 勇，王少恒

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是由法國BOUYGUES公司在1993年研制成功的一種超高性能混凝土［1］。因其具有優(yōu)良性能，因此在橋梁、海洋、核電、航天及軍事防護等工程領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)成為研究的新熱點［2－3］。

RPC制備時需摻入鋼纖維以改善其脆性特性。隨著RPC材料在工程中的應(yīng)用，其服役環(huán)境也越來越復(fù)雜，存在高溫后承受沖擊載荷的情況，如火箭發(fā)射臺導流槽等。這對RPC材料的抗火(高溫)設(shè)計提出了更高的要求，即需要考慮高溫后的抗沖擊性能。

目前，鋼纖維對高性能混凝土高溫后靜力學特性的影響規(guī)律研究較多。Luo等［4］的研究表明，高溫后鋼纖維混凝土的抗壓強度高于素混凝土，并認為是混凝土基體內(nèi)部損傷減少和鋼纖維增強增韌作用綜合影響的結(jié)果。Poon等［5］通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入可明顯地提高混凝土高溫后的抗壓強度和彈性模量。Chen等［6］的研究也認為，鋼纖維的存在可減少高溫后混凝土內(nèi)部的損傷，降低高溫后混凝土力學性能的損失。然而，鋼纖維對RPC材料高溫后沖擊力學性能的影響研究還很少見到報道。

因此，研究鋼纖維對RPC材料高溫過火后沖擊壓縮力學性能的影響規(guī)律是必要的。本文的研究工作可為RPC材料的抗火設(shè)計提供實驗依據(jù)與參考。

1 材料與實驗方法

1.1 原材料與配合比

水泥:P·O42.5型硅酸鹽水泥。硅灰:挪威?？瞎旧a(chǎn)的中質(zhì)硅灰，比表面積為1.5×105cm2/g。石英粉:粒徑分布為5～30μm，其中 SiO2含量大于99.6%。石英砂:109～212μm和212～380μm兩種級配石英砂。鋼纖維:高強超細鋼纖維，平均lf=12 mm，df=0.2 mm，抗拉強度不低于1 000 MPa。減水劑:聚羧酸高效減水劑。

實驗共制備 5 類試樣，分別為 V0、V0.5、V1.0、V1.5和V2.0。其中V代表鋼纖維，具體數(shù)值代表體積摻量。RPC基體的配合比見表1，減水劑的用量為2.3%(質(zhì)量分數(shù))，其它均為質(zhì)量比。

表1 RPC基體配合比Tab.1 Mixture proportion of RPC matrix

1.2 試樣制備過程

將原材料按配合比混合，放入水泥砂漿攪拌機中，逐漸加水攪拌，直至均勻。攪拌完成后，將拌合物澆注于內(nèi)徑36.5 mm，長度600 mm的模具中，在振動臺上振動5 min成型。試件成型后移入養(yǎng)護室，24 h拆模，在60℃蒸汽中養(yǎng)護3天。根據(jù)SHPB實驗對試樣尺寸的要求，使用切片機將試件制成Φ36.5×23 mm的圓柱體，兩端進行精磨，不平行度≤0.02 mm。

最后將制備好的試樣烘干后放入加熱爐中加熱，由于加熱溫度達到800℃以上時，試樣常出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，較難獲得完整的試樣，因此本文的過火溫度選為400℃、600℃及800℃。升溫方式:最初電爐以全功率輸出，最高升溫速率可達16℃/min。隨溫度升高，升溫速率逐漸降低，快達到預(yù)定溫度(比預(yù)定溫度低100℃左右)時，電爐進行自動整定，最低升溫速率僅為1℃/min。達到預(yù)定溫度時保持該溫度1 h，然后打開爐門自然降溫，3 h后取出試件并靜置于常溫下，24 h后進行試驗。制備好的試樣如圖1所示。

圖1 試樣外貌Fig.1 Pictures of specimens

1.3 混凝土SHPB實驗

實驗在哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心的Φ40 mm SHPB裝置上進行的。壓桿和子彈的材料均為高強度合金鋼，入射桿、透射桿長度均為1 800 mm，子彈長度300 mm。圖2為SHPB實驗裝置示意圖。

圖2 SHPB實驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of SHPB experiment

傳統(tǒng)SHPB實驗技術(shù)基于一維假設(shè)和應(yīng)力均勻性假設(shè)［7］。本文選用鉛片作為波形整形器，形狀為6 mm×6 mm×1 mm的長方體，實驗時放置在入射桿前端面。圖3所示為應(yīng)變率80 s－1時典型入射波、反射波及透射波波形圖?？梢姡瓷洳ㄓ幸幻黠@的平臺段，占整個有效加載段的50%左右，說明在試樣的整個加載過程中，大部分時間內(nèi)實現(xiàn)了近似恒應(yīng)變率加載。沖擊加載的平均應(yīng)變率均控制在75～85 s－1。

圖3 典型的SHPB實驗波形Fig.3 Typical SHPB experiment signal

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖4所示為高溫過火前后試樣沖擊壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，為了便于分析，將描述應(yīng)力應(yīng)變曲線特征的主要力學參數(shù)匯總成表2。

2.1.1 動態(tài)抗壓強度

文中動態(tài)抗壓強度是指應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力值，用符號D表示。而動態(tài)抗壓強度折減系數(shù)是指試樣高溫后動態(tài)抗壓強度與常溫下動態(tài)抗壓強度的比值，表達式為:

式中:KD表示動態(tài)抗壓強度折減系數(shù);DT表示高溫后動態(tài)抗壓強度值;D20表示常溫下動態(tài)抗壓強度值。

圖4 高應(yīng)變率(75～85 s－1)下RPC試樣沖擊壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamic compression stress-strain curves for RPC specimens under high strain rate(75 ～85 s－1)

表2 高應(yīng)變率(75～85 s－1)下試樣高溫過火前后動態(tài)力學性能測試結(jié)果Tab.2 Dynamic testing results of specimens before and after exposure in high temperature under high strain rate(75 ～85 s－1)

分析表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著過火溫度的升高，RPC試樣的D值均有不同程度的降低。圖5所示為RPC材料在常溫下、400℃、600℃及800℃高溫過火后RPC基體微觀組織結(jié)構(gòu)的SEM掃描電鏡圖片?？梢?，常溫下水泥石結(jié)構(gòu)非常均勻、密實，無裂紋。400℃高溫過火后，基體結(jié)構(gòu)開始有所變化，并因蒸汽壓的存在產(chǎn)生了微觀裂紋。當過火溫度達到600℃時，裂紋寬度進一步增加。而800℃高溫過火后，基體組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)破碎。高溫后RPC材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的劣化是其宏觀力學性能降低的根本原因。

圖5 RPC基體SEM掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5 SEM photos for RPCmatrix

圖6 和圖7所示分別為高溫后動態(tài)抗壓強度及折減系數(shù)隨過火溫度的變化規(guī)律。

由圖6可見，無論高溫作用與否，摻加鋼纖維的試樣D值均要高于V0試樣。說明鋼纖維在常溫下及高溫后對RPC材料均起到了增強作用。由表2中數(shù)據(jù)可知:

(1)常溫下，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0試樣分別提高了 8.8%、19.7%、10.1%、13.7%。

(2)400℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 8.4%、18.0% 、6.7%、13.8%。

(3)600℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 20.9%、28.1%、23.1%、21.1%。

(4)800℃高溫后，V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣較 V0 試樣分別提高了 16.7%、35.1%、6.7%、24.8%。

由圖7可見，600℃和800℃高溫過火后，摻加鋼纖維試樣的KD值整體上大于V0試樣。

2.1.2 能量吸收能力(韌性)

從宏觀角度考慮，韌性可以定義為材料從加載到失效為止吸收能量的能力。因此，韌性是材料強度和延性兩種機制的綜合效果，所以用其評價材料抗沖擊性能的優(yōu)劣更為合理。

參考 Taerwe［8］和 Nataraja［9］文獻中的說明，將韌性(Toughness)定義為指定應(yīng)變值應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積，用符號T表示，計算方法如圖8所示。將試樣韌性指標T值與動態(tài)抗壓強度指標D值的比值定義為相對韌性(Specific Toughbess)，用符號ST表示。ST可以反映出應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力點過后塑性流動的變化趨勢。ST值越大，說明曲線越平緩，塑性流動現(xiàn)象越明顯。而韌性折減系數(shù)KT是指試樣高溫后韌性與常溫下韌性的比值。在本文研究中，計算韌性指標T時指定的應(yīng)變值為0.020。

圖6 D隨過火溫度的變化規(guī)律Fig.6 Variation of D with temperature

圖7 KD隨過火溫度的變化規(guī)律Fig.7 Variation of KD with temperature

圖8 韌性指標T值計算方法示意圖Fig.8 Sketch of calculation method for toughness T

圖9 所示為高溫后韌性T隨過火溫度的變化規(guī)律?？梢?，400℃高溫后，韌性指標T值不降反升。這是因為高溫雖然降低了試樣的D值，但也同時提高了試樣的變形能力，體現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上即為峰值應(yīng)力后的塑性流動性能提高。而韌性是材料強度和延性兩種機制的綜合效果。因此，T值隨溫度下降的速度低于D值。當過火溫度達到600℃時T值明顯降低。800℃高溫后試樣的T值已經(jīng)降為原來的1/3左右。這是因為高溫后試樣動態(tài)抗壓強度的降低幅度大于其塑性流動性能的增長程度。同時可以看到，常溫下及高溫后摻加鋼纖維的試樣T值均要高于V0試樣。說明鋼纖維在常溫下及高溫后對RPC材料均有增韌的作用。

圖10所示為高溫后韌性折減系數(shù)KT隨過火溫度的變化規(guī)律?？梢?，同KD相比，韌性折減系數(shù)KT值相對較大，這是由高溫后試樣變形能力增強引起的。同時可見，400℃、600℃和800℃高溫后，摻加鋼纖維試樣的KT值整體上都低于V0試樣，即高溫后鋼纖維的增韌作用不如常溫下表現(xiàn)明顯。這是因為高溫作用已經(jīng)使試樣的變形能力提高了，因此鋼纖維的增韌作用相對就變?nèi)趿恕Ｇ矣蓤D9可見，過火溫度越高，鋼纖維摻量試樣與V0試樣韌性指標T值就越接近。說明隨著過火溫度的升高鋼纖維的增韌作用變?nèi)酢?/p>

圖11所示為相對韌性 ST的變化規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn):

(1)無論高溫作用與否，摻加鋼纖維試樣ST值均大于V0試樣，說明鋼纖維對RPC材料韌性指標T的增強方式不僅僅提高了其動態(tài)抗壓強度值，同時還對峰值應(yīng)力后塑性流動性能有影響，使其增強。且常溫下塑性流動性能的增加幅度大，高溫后增加幅度小。

(2)隨著過火溫度的升高，試樣的ST值均相應(yīng)地增大。說明高溫作用對試樣變形能力的增強體現(xiàn)在塑性流動性能的提高上。正是高溫作用對塑性流動性能的提高削弱了鋼纖維在這方面的貢獻。

圖9 T隨過火溫度變化規(guī)律Fig.9 Variation of T with temperature

圖10 KT隨過火溫度變化規(guī)律Fig.10 Variation of KT with temperature

圖11 ST的變化規(guī)律Fig.11 Variation of ST

2.2 沖擊破壞分析

圖12 ～圖14所示分別為常溫下、600℃及800℃高溫過火后試樣的沖擊壓縮破碎模式。從破碎形式上看，試樣多呈現(xiàn)邊緣開始剝落，由外及里，逐漸向芯部發(fā)展的趨勢。但高溫后試樣因內(nèi)部組織的損傷及物理化學變化表現(xiàn)出粉碎性的破壞形式。從破碎程度上看，摻加鋼纖維的試樣多呈裂而不散的狀態(tài)，且隨著鋼纖維摻量的增加，破碎程度逐漸降低。試樣組織結(jié)構(gòu)因高溫產(chǎn)生損傷。因此，相同鋼纖維體積摻量下，800℃高溫后的試樣破碎程度最高。

圖12 常溫下試樣沖擊壓縮破碎模式Fig.12 Fragmentation modes of samples within room temperature

2.3 能量分析

本文實驗中使用的沖擊加載設(shè)備為SHPB裝置，由粘貼在壓桿上的應(yīng)變計得到的波形信號，可以獲得從開始加載到卸載結(jié)束整個過程中壓桿上的入射能WI、反射能WR和透射能WT，從而推算出加載過程中試樣吸收的能量值，計算公式如下［10］:

試樣在沖擊壓縮過程中所吸收的能量WL可由如下公式計算得到:

為了衡量試樣在相同沖擊條件下能量吸收的效率，定義能量吸收率α，計算公式如下:

將式(2)和式(3)代入式(4)中，可得:

由入射波、反射波及透射波原始數(shù)據(jù)經(jīng)式(3)和式(5)計算可得到試樣吸收能量和能量吸收率時程曲線。

圖15和圖16所示分別為常溫下不同鋼纖維體積摻量試樣吸收能量和能量吸收率時程曲線。圖17和圖18分別為800℃高溫后不同鋼纖維體積摻量試樣吸收能量和能量吸收率時程曲線。

由圖15和圖17可見，無論常溫下還是800℃高溫后，摻加鋼纖維后試樣的能量吸收能力都得到了提高。對比發(fā)現(xiàn)，800℃高溫后試樣的能量吸收能力低于常溫下。究其原因，在相近的沖擊條件下，造成能量吸收能力不同的根本原因在于能量吸收率的不同。

圖15 常溫下試樣吸收能量時程曲線Fig.15 Time-history curves of absorbed energy for specimens within room temperature

圖16 常溫下試樣能量吸收率時程曲線Fig.16 Time-history curves of energy absorbency for specimens within room temperature

圖17 800℃高溫后試樣吸收能量時程曲線Fig.17 Time-history curves of absorbed energy for specimens after exposure in 800℃

圖18 800℃高溫后試樣能量吸收率時程曲線Fig.18 Time-history curves of energy absorbency for specimens after exposure in 800℃

由圖16和圖18可見，常溫下及800℃高溫后V0.5、V1.0、V1.5、V2.0 試樣的能量吸收率總體上都高于V0試樣。這是因為，活性粉末混凝土材料拉壓比小，脆性強，當試樣受到?jīng)_擊壓縮載荷后內(nèi)部裂紋擴展迅速，常出現(xiàn)崩碎性破壞，使得試樣有效截面積顯著降低，能量吸收能力也就明顯下降。當試樣中摻入鋼纖維后，由于鋼纖維的存在使得試樣在承受沖擊壓縮載荷后內(nèi)部裂紋擴展受到限制，鋼纖維較好地起到了阻裂的作用，使得試樣保持較高的有效截面積。因此，摻加鋼纖維的試樣能量吸收率高于V0試樣。

3 結(jié)論

(1)隨著過火溫度的升高，RPC材料動態(tài)抗壓強度均有不同程度的降低。通過SEM掃描電鏡觀察，認為材料微觀組織結(jié)構(gòu)高溫過火后的損傷是其動態(tài)抗壓強度降低的根本原因。

(2)鋼纖維在常溫下及高溫后對RPC材料動態(tài)抗壓強度均有增強的作用。

(3)高溫后動態(tài)抗壓強度指標的損失程度高于韌性指標。因為高溫作用雖然降低了RPC材料的動態(tài)抗壓強度，但也同時提高了塑性流動性能。

(4)鋼纖維在常溫下及高溫后對RPC材料的韌性指標均有增加的作用，但高溫后鋼纖維的增韌作用沒有在常溫下明顯。

(5)對RPC材料沖擊壓縮過程進行能量分析，發(fā)現(xiàn)常溫下及高溫后鋼纖維試樣的能量吸收率較高，因此其能量吸收能力也較強。相近沖擊條件下，能量吸收能力取決于能量吸收率的大小。

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