葉建峰， 劉憲成， 顏桂云， 黃冠驊， 莊金平

(福建工程學(xué)院 福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350118)

地質(zhì)聚合物混凝土通過(guò)工業(yè)廢棄物粉煤灰、礦渣為主要原料替代普通硅酸鹽水泥，實(shí)現(xiàn)了廢棄資源再利用，且地質(zhì)聚合物混凝土具有早強(qiáng)快凝、結(jié)構(gòu)較密、滲透率低、耐高溫、隔熱效果好等良好的性能[1-4]，是環(huán)境友好型的綠色建筑材料，引起了許多國(guó)內(nèi)外研究者的興趣，成為國(guó)內(nèi)外研究非?；钴S的材料之一。

開展鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土抗沖擊力學(xué)性能的研究對(duì)于結(jié)構(gòu)安全具有重大意義。目前，各學(xué)者對(duì)于其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了一定的探索。魯強(qiáng)等[5]研究指出同普通混凝土類似，地質(zhì)聚合物混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及抗壓強(qiáng)度均有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；楊健輝等[6]研究指出在混凝土中摻入纖維可改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，具有明顯的強(qiáng)度及能量效應(yīng)；王志坤等[7]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率的對(duì)數(shù)同地質(zhì)聚合物混凝土的DIF(dynamic increasing factor)呈明顯的線性關(guān)系，而高溫對(duì)于地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有不利作用；陶鑫等[8]研究指出鋼纖維摻量的提高會(huì)增強(qiáng)地質(zhì)聚合物混凝土的強(qiáng)度、彈性模量及延性等力學(xué)性能；羅立峰[9]研究揭示了鋼纖維聚合物改性混凝土具有良好的抗沖擊性能可作為橋面鋪裝的理想復(fù)合材料；潘慧敏等[10]揭示了鋼纖維對(duì)混凝土基體脆性的改善效應(yīng)，其韌性系數(shù)最大提升近基準(zhǔn)混凝土的10倍。已有研究表明，地質(zhì)聚合物混凝土相較于普通硅酸鹽混凝土而言，其脆性更為明顯，加入鋼纖維為解決其脆性等缺陷提供了可行的方法，但研究仍不充分，且缺少關(guān)于鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝凝土的抗沖擊應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型的研究。因此，有必要對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的抗沖擊力學(xué)性能做進(jìn)一步的研究。

本文通過(guò)控制粉煤灰、礦渣的用量配制不同基準(zhǔn)強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物混凝土，再摻入不同體積量的鋼纖維制備出鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件。采用直徑為80 mm的霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)對(duì)在不同沖擊氣壓(對(duì)應(yīng)不同應(yīng)變率)、不同體積鋼纖維摻量的地質(zhì)聚合物混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行研究，探究鋼纖維對(duì)試件的破壞形態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變曲線、韌性指數(shù)等力學(xué)性能的影響，并建立鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

原材料：細(xì)骨料(細(xì)度模數(shù)為2.65，表觀密度及堆積密度分別為2.65 g/cm3，1.55 g/cm3，含有少量雜質(zhì)的中粗砂)；粗骨料(粒徑9～12 mm，表觀密度及堆積密度分別為2. 72 g/cm3，1.68 g/cm3，吸水率0.65%，壓碎指標(biāo)為8.3%的天然碎石)；高爐礦渣(密度2.92 g/cm3，比表面積460 m2/kg，28 d活性指數(shù)大于95%，含水量小于1.0%的高爐礦渣粉)；粉煤灰(密度2.34 g/cm3，比表面積800 m2/kg，28 d活性指數(shù)大于65%，含水量小于5.0%的Ⅱ級(jí)F類粉煤灰)；鋼纖維(鍍銅微絲型鋼纖維，密度7.8 g/cm3,直徑0.2 mm，長(zhǎng)度13 mm，如圖1所示)；堿激發(fā)劑(采用純度為99%的片狀固體氫氧化鈉(NaOH)，模數(shù)為3.4，波美度為39°Bé，氧化鈉、二氧化硅及水含量分別為7.4%，27.6%，65%的硅酸鈉水玻璃，采用自來(lái)水作為拌合水)。

圖1 鍍銅微絲型鋼纖維

試驗(yàn)共設(shè)置了15組普通地質(zhì)聚合物混凝土配合比，鋼纖維的摻入根據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，其他材料的用量根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。經(jīng)過(guò)合理配置獲得所需基準(zhǔn)強(qiáng)度配比后，將溶膠比控制在0.55，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)控制粉煤灰、礦渣用量和外摻體積率分別為0.3%，0.6%，0.9%，1.2%的鋼纖維來(lái)配制不同強(qiáng)度的鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土。各組地質(zhì)聚合物混凝土試件試驗(yàn)配合比，如表1所示。

表1 各組地質(zhì)聚合物混凝土試驗(yàn)配合比

試件制作尺寸為Φ72 mm×36 mm的圓柱體沖擊試件15組，每組在3種不同沖擊氣壓作用下重復(fù)試件3個(gè)，共計(jì)試件135個(gè)。經(jīng)攪拌完成后，將事先準(zhǔn)備好的PVC(polyvinyl chloride)管進(jìn)行混凝土澆筑，并置于室外進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)28 d。經(jīng)加工脫模后的SHPB試件，如圖2所示。

圖2 SHPB試件

1.2 試驗(yàn)裝置

分離式SHPB裝置主要由試驗(yàn)加載裝置、壓桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)三部分組成。

(1) 加載裝置。主要由高壓氣瓶及氣壓控制系統(tǒng)兩部分組成。通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可控制純氮輸入量來(lái)獲得所需的沖擊壓縮氣壓值，進(jìn)而可賦予撞擊桿不同的沖擊速度。

(2) 壓桿系統(tǒng)。由撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿等部分組成，4種桿件等截面(即有相同的直徑)所用的材質(zhì)相同,如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中入射桿桿端需貼尺寸為Φ20 mm×1 mm的黃銅片減小橫向慣性效應(yīng)和波形彌散效應(yīng)[11-13]。

(a) 試件放置

(3) 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。主要包括測(cè)速系統(tǒng)、電阻應(yīng)變片、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等。

1.3 試驗(yàn)加載

為了試件的抗沖擊性能，分別采用70 s-1，110 s-1，210 s-1作為試件的理論應(yīng)變率，由文獻(xiàn)[14]方法，確定不同理論應(yīng)變率對(duì)應(yīng)的沖擊波速分別為15.3 m/s，19.9 m/s和22.9 m/s。通過(guò)測(cè)試該SHPB沖擊速度與沖擊氣壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終獲得當(dāng)氣壓為0.35 MPa，0.45 MPa，0.55MPa時(shí)，滿足理論應(yīng)變率要求。因此，確定加載氣壓分別為0.35 MPa，0.45 MPa，0.55 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線由采集到的脈沖信號(hào)經(jīng)分析后得到。各試件典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，以SF20-S0-50-70 s-1-1標(biāo)注為例：“SF20”為礦渣量占摻粉煤灰與礦渣總量的20%；S0為鋼纖維體積摻量為0；“50”為基準(zhǔn)強(qiáng)度為C50的普通地質(zhì)聚合物混凝土；“70 s-1”為試件的應(yīng)變率；“1”為重復(fù)試件編號(hào)。鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土SHPB力學(xué)特征量,如表2所示。

表2 鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土SHPB力學(xué)特征量

(a) SF20-S0-50

2.2 應(yīng)變率對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓性能的影響

試件在不同應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的變化，如圖5所示。由圖5可知，沖擊荷載作用下鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變率的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。以SF20-S0.6-50為例，當(dāng)應(yīng)變率為65.4 s-1，100.4 s-1，218.7 s-1時(shí)，試件對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為56.11 MPa，102.14 MPa，124.60 MPa。

(a) 0鋼纖維摻量

鋼纖維參量0.6%、混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度C50的試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，隨著應(yīng)變率的提高，鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件的完整性逐漸變差，可知試件抗沖擊性能的應(yīng)變率相關(guān)性較高，與已有文獻(xiàn)中對(duì)普通鋼纖維混凝土的描述相一致[15]。試件整體由最初的小塊碎屑脫落轉(zhuǎn)變?yōu)殚_裂成諸多碎塊，這是由于隨著應(yīng)變率的提高，試件通過(guò)開展更多的裂紋或破碎成塊狀來(lái)消耗沖擊能量。

(a) 70 s-1

2.3 鋼纖維摻量對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與鋼纖維摻量之間的關(guān)系，如圖7所示。對(duì)于C50基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土而言，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的提高有著明顯的增大趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)變率為70 s-1時(shí)，隨著鋼纖維摻量的提高，試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度由最初的45.64 MPa增長(zhǎng)到85.62 MPa，增幅87.6%；當(dāng)應(yīng)變率為210s-1時(shí)，隨著鋼纖維摻量的提高，試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度由最初的110.16 MPa增長(zhǎng)到154.45 MPa，增幅40.2%。但對(duì)于C60和C70基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土，隨著鋼纖維摻量的增大，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變化不大。表明，鋼纖維摻量對(duì)較低強(qiáng)度地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度影響較大，而對(duì)強(qiáng)度較高的地質(zhì)聚合物混凝土影響不大。

(a) C50基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土

不同鋼纖維體積摻量的試件在相同沖擊氣壓下的破壞模態(tài)，如圖8所示。由圖8可知，隨著鋼纖維摻量的提高，試件的完整性逐漸提高。這是由于鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件在沖擊荷載作用下，鋼纖維可在裂縫處起到橋接作用，有效阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，并通過(guò)自身的變形來(lái)消耗沖擊能量，同時(shí)由于鋼纖維與內(nèi)部混凝土之間黏結(jié)力的存在，可使更多的內(nèi)部混凝土參與到?jīng)_擊耗能中，避免了試件出現(xiàn)破壞的貫穿裂縫，從而使試件在承受相同動(dòng)態(tài)荷載下的破壞形態(tài)向較為完整的方向發(fā)展。

(a) S0

2.4 混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

試件混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響，如圖9所示。由圖9可知，隨著混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的提高，鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度整體呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)變率為70 s-1，鋼纖維摻量為0.6%時(shí)，3種混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為56.11 MPa，71.58 MPa，84.80 MPa，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最大提高了51.1%；當(dāng)應(yīng)變率為110 s-1時(shí)，3種混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為102.14 MPa，85.81 MPa，124.45 MPa，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最大提高了21.8%；當(dāng)應(yīng)變率為210 s-1時(shí)，3種混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為124.60 MPa，155.79 MPa，154.08 MPa，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最大提高了23.7%。

(a) 0鋼纖維摻量

在鋼纖維摻量0.6%、應(yīng)變率70 s-1下不同混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度試件的破壞形態(tài)，如圖10所示。由圖10可知，隨著混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的增加，沖擊荷載作用下試件的整體性更好，抗沖擊性能更高。主要由于隨著礦渣含量的提高(亦即混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的提高)，試件內(nèi)部材料水化反應(yīng)更為充分，大量的水化產(chǎn)物對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部薄弱區(qū)進(jìn)行了填補(bǔ)，起到了很好的黏結(jié)作用，試件的完整性逐漸提高且力學(xué)性能得到了改善，整體的開裂碎塊減少且碎塊體積增大。

(a) C50

2.5 鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的變形性能

采用ASTM C1018能量比值法獲取鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土韌性指數(shù)，并探究混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度、鋼纖維摻量及應(yīng)變率與韌性指數(shù)之間的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)的ASTM C1018能量比值法體系示意圖，如圖11所示。εcr為0.85倍峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，用其表示試件初裂時(shí)的應(yīng)變；I1為當(dāng)應(yīng)變?yōu)?εcr時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線包裹面積與當(dāng)應(yīng)變?yōu)棣與r時(shí)對(duì)應(yīng)曲線包裹面積的比值；I2為當(dāng)應(yīng)變?yōu)?εcr時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線包裹面積與當(dāng)應(yīng)變?yōu)棣與r時(shí)對(duì)應(yīng)曲線包裹面積的比值；I3為當(dāng)應(yīng)變?yōu)?5.5εcr時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線包裹面積與當(dāng)應(yīng)變?yōu)棣與r時(shí)對(duì)應(yīng)曲線包裹面積的比值，計(jì)算公式如式(1)所示。

圖11 ASTM C1018韌性指數(shù)評(píng)價(jià)法

(1)

采用式I1計(jì)算獲得各組試件的韌性指數(shù)，韌性指數(shù)與鋼纖維摻量、應(yīng)變率及混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖12所示。由圖12可知，在相同應(yīng)變率與混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度下，隨著鋼纖維摻量的增加，試件的韌性指數(shù)整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明鋼纖維改善了試件的韌性性能。主要原因?yàn)椋寒?dāng)鋼纖維摻入地質(zhì)聚合物混凝土試件后，鋼纖維被結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化產(chǎn)物及砂漿充分包裹，在試件內(nèi)部礦渣、粉煤灰等膠凝材料與骨料形成的界面過(guò)渡區(qū)及裂縫處起到了橋接作用，有效地阻止了試件內(nèi)部裂縫發(fā)展，降低了試件內(nèi)部裂縫數(shù)量，對(duì)試件的韌性起到了改善作用。

(a) SF20-C50

試件在相同混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度與鋼纖維摻量時(shí)，沖擊荷載作用下的韌性指數(shù)隨著應(yīng)變率的增大而逐漸增大，以SF20-S0.3-50為例，當(dāng)應(yīng)變率為62.6 s-1，102.1 s-1，211.7 s-1時(shí)，其韌性指數(shù)分別為2.72，3.35，4.35。主要原因是由于試件在沖擊荷載作用下，應(yīng)變率越高，試件內(nèi)部的裂縫開展來(lái)不及發(fā)展，試件在沖擊荷載作用下表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度就越高，從而試件的韌性指數(shù)就越高。

在相同應(yīng)變率下，隨著混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的提高，各試件的韌性指數(shù)逐漸增大。以鋼纖維摻量為0.6%為例，當(dāng)應(yīng)變率為70 s-1時(shí)，3種基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土對(duì)應(yīng)的韌性指數(shù)分別為2.94，4.19，4.98，其韌性指數(shù)最大提高了69.4%；當(dāng)應(yīng)變率為110 s-1時(shí)，3種基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為3.13，4.72，5.45，其韌性指數(shù)最大提高了74.1%；當(dāng)應(yīng)變率為210 s-1時(shí)，3種基準(zhǔn)強(qiáng)度混凝土對(duì)應(yīng)的韌性指數(shù)分別為4.33，5.39，6.17，其韌性指數(shù)最大提高了42.5%。同時(shí)也表明，試件的韌性指數(shù)也具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

3 ABAQUS軟件數(shù)值分析與驗(yàn)證

采用ABAQUS軟件對(duì)鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件進(jìn)行了SHPB數(shù)值模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證。

3.1 有限元模型的建立

為了實(shí)現(xiàn)鋼纖維三維的隨機(jī)分布，采用 Python 編寫了隨機(jī)纖維分布模型代碼子程序。采用蒙特卡洛方法，使用Python語(yǔ)言中的random命令，生成區(qū)間在(0,1)上的偽隨機(jī)數(shù)，采用Truss單元作為鋼纖維，進(jìn)行部分體積的替代，Python編寫的鋼纖維隨機(jī)分布三維圖形，如圖13所示。

圖13 鋼纖維隨機(jī)分布三維圖

ABAQUS軟件數(shù)值模型，如圖14所示。圖14中從左到右依次為入射桿、鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土試件和透射桿。在SHPB有限元模擬過(guò)程中，包含了兩個(gè)接觸條件，即入射桿與試件前表面的接觸，透射桿與試件后表面的接觸。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，這兩個(gè)接觸面都均勻的涂滿了凡士林，以減小試件與SHPB之間摩擦力的影響。因此，在有限元建模中，將這兩對(duì)接觸均定義為面面接觸，法向接觸定義為硬接觸，切向接觸則采用罰函數(shù)來(lái)定義摩擦，取摩擦因數(shù)為0.01。鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的損傷演變采用混凝土損傷塑性模型。壓桿系統(tǒng)在試驗(yàn)中呈彈性，定義壓桿材料為各項(xiàng)同性，彈性模量為220 GPa，泊松比為0.20，密度為7 800 kg/m3。采用動(dòng)力顯式分析(Dynamic，Explicit)算法，總時(shí)間為0.000 6 s。所建立模型中各部件的尺寸信息、單元類型及各個(gè)部件單元個(gè)數(shù)如表3所示。

(a) SHPB有限元模型圖

表3 模型各部件基本信息

由于在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，撞擊桿(子彈)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中起到的作用為產(chǎn)生入射應(yīng)力波，所以在有限元建模過(guò)程中省略了對(duì)撞擊桿(子彈)的模擬，進(jìn)而采用在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中采集到的入射應(yīng)力波，將其換算為力-時(shí)間曲線，作為均布荷載直接加載于入射桿的前端表面，典型的入射應(yīng)力波如圖15所示。

圖15 SHPB入射波典型波形圖

3.2 數(shù)值結(jié)果與分析

試件SF25-S0.6-60在210 s-1應(yīng)變率沖擊下的模擬破壞模態(tài)與實(shí)際試驗(yàn)破壞對(duì)比圖，如圖16所示。由圖16可知，試件從邊緣開始破壞，再逐步擴(kuò)散至試件的中心，這與試驗(yàn)中得到的現(xiàn)象一致，試件的單元大多在320～500 μs內(nèi)開始失效破壞，接著試件開始產(chǎn)生徑向的膨脹，單元也逐漸開始剝離。

(a) t=200 μs

試件SF25-S0.6-60在210 s-1應(yīng)變率下數(shù)值模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線與試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比，如圖17所示。由圖17可知，數(shù)值模擬的應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段及峰值應(yīng)力與試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線吻合較好，而下降段應(yīng)變的模擬與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，主要是由于沖擊試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段存在較大的離散型?？傮w而言，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

圖17 試驗(yàn)與數(shù)值模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比

4 鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土沖擊應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型

鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系采用過(guò)鎮(zhèn)海[16]提出的分段式本構(gòu)模型，如式(2)～式(4)所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)手段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，最終提出參數(shù)a，b、應(yīng)變率θ與鋼纖維體積摻量γ的關(guān)系如下

x=ε/εc

y=σ/fc

(2)

上升段

y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3

(3)

下降段

y=x/[b(x-1)x2+x]

(4)

式中：a=1+0.016 8θ;b=2e-0.35γ(1+0.001 2γ);fc=FDI-σ-σ·fc′，F(xiàn)DI-σ為應(yīng)力動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子,fc′為鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土棱柱體的靜態(tài)軸心抗壓強(qiáng)度；εc=FDI-ε-ε·εc′，F(xiàn)DI-ε為應(yīng)變動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子,εc′為峰值應(yīng)變；θ為應(yīng)變率;γ為鋼纖維體積摻量。

為驗(yàn)證該沖擊應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，計(jì)算獲得不同基準(zhǔn)強(qiáng)度的鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖18所示。由圖18可知，本構(gòu)計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線總體吻合良好，可預(yù)測(cè)沖擊荷載下鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的力學(xué)性能。

(a) SF20-S0-50

5 結(jié) 論

通過(guò)SHPB對(duì)不同沖擊氣壓(對(duì)應(yīng)不同應(yīng)變率)、不同體積鋼纖維摻量的地質(zhì)聚合物混凝土進(jìn)行抗沖擊性能試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率、混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的提高逐漸增大，而鋼纖維摻量?jī)H對(duì)強(qiáng)度較低的地質(zhì)聚合物混凝土產(chǎn)生較大影響。

(2) 應(yīng)變率的提高使試件完整性逐漸變差，而隨著鋼纖維摻量與混凝土基準(zhǔn)強(qiáng)度的提高，試件完整性逐漸變好，沖擊耗能與韌性逐漸增加。

(3) 采用的SHPB有限元分析方法，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性，同時(shí)還能為SHPB沖擊試驗(yàn)的分析提供參考。

(4) 建立了鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的抗沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線本構(gòu)模型，本構(gòu)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，可預(yù)測(cè)沖擊荷載下鋼纖維地質(zhì)聚合物混凝土的力學(xué)性能。