羅銀劍，李秀地，蔡 濤，楊謹(jǐn)鴻

(中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401331)

軍事防護(hù)掩體一般都是由鋼筋混凝土構(gòu)筑。厚重的鋼筋混凝土對于保護(hù)掩體內(nèi)的人員和重要設(shè)備免遭武器破壞效應(yīng)的毀傷是必要的。然而，在精確制導(dǎo)武器爆炸沖擊作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)會產(chǎn)生高強(qiáng)度脈沖應(yīng)力波傳播。應(yīng)力波在混凝土的內(nèi)表面反射產(chǎn)生拉伸波，能夠引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)表面廣泛的剝落震塌。震塌產(chǎn)生的混凝土碎塊高速飛離，對掩體內(nèi)的人員和裝備構(gòu)成威脅[1]。因此，采用普通混凝土作為建筑材料的防護(hù)結(jié)構(gòu)，難以滿足對新型大威力精確制導(dǎo)武器的防護(hù)要求。

眾多研究者圍繞發(fā)展新型防護(hù)材料展開研究。20世紀(jì)90年代，美國密歇根大學(xué)Li等[2-3]運(yùn)用斷裂力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)原理，將聚乙烯短切纖維(簡稱PE纖維)經(jīng)過特殊處理，加入水泥基復(fù)合材料中，通過試驗發(fā)現(xiàn)該材料在受到拉應(yīng)力時能夠形成多個裂縫，極限應(yīng)變大幅提高，混凝土表現(xiàn)出較高韌性，他們將這種具有明顯應(yīng)變硬化和多縫開展特征的新型纖維混凝土材料命名為工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite，ECC)。這一新材料的出現(xiàn)，引起國內(nèi)外建筑材料領(lǐng)域?qū)W者的濃厚興趣，對工程水泥基復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能以及所用的纖維材料進(jìn)行深入研究，相繼發(fā)展出聚丙烯纖維ECC(polypropylene engineering cementitious composite，PP-ECC)、聚乙烯醇纖維ECC(polyvinyl alcohol engineering cementitious composite，PVA-ECC)以及混合纖維ECC等眾多改進(jìn)型ECC。由于PVA纖維力學(xué)性能較好，成本相對便宜，國內(nèi)生產(chǎn)的ECC大多采用PVA纖維。

ECC優(yōu)異的吸能特性，在抗爆抗沖擊方面有一定的應(yīng)用潛力，吸引越來越多的學(xué)者對ECC的動力學(xué)性質(zhì)展開研究。陳智韜等[4-5]采用Φ40 mm分離式霍普金森壓桿 (split Hopkinson pressure bar, SHPB) 試驗研究了礦渣系和粉煤灰系兩種礦物摻合料的PVA-ECC在不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮性能，得出在兩者摻量相同的情況下礦渣系PVA-ECC的應(yīng)變率效應(yīng)更加顯著的結(jié)論。張華等[6]利用大尺寸變截面Φ74 mm SHPB裝置對不同摻量的聚乙烯工程水泥基符合材料(polyethylene engineering cementitious composites，PE-ECC)進(jìn)行沖擊壓縮試驗，結(jié)果表明，當(dāng)PE纖維摻量在1.8%時，PE-ECC的應(yīng)變率效應(yīng)顯著增強(qiáng)。杜修力等[7]重點研究了PVA纖維摻量對PVA-ECC動態(tài)壓縮峰值應(yīng)變的影響，研究表明，峰值應(yīng)變隨著PVA纖維含量的增加而增大，當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定數(shù)值后，極限應(yīng)變不再增大，動態(tài)抗壓強(qiáng)度也無明顯變化。為了進(jìn)一步提高ECC的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，同時保持ECC高韌性的特點，Zhang等[8]利用鋼纖維彈性模量較大的優(yōu)勢，在ECC中摻入0.6%的鋼纖維并進(jìn)行ECC板的子彈沖擊試驗，結(jié)果表明，改進(jìn)型ECC能有效削弱震塌損害，在子彈沖擊后板背部的彈坑最大直徑僅為普通混凝土產(chǎn)生碎片面積的60%。除了采用混合纖維來提高ECC的動態(tài)性能以外，Yildirim等[9]研究了在基體材料配比相同的情況下，體積分?jǐn)?shù)同為2%的PVA-ECC和尼龍N纖維-ECC梁彎曲韌性和抗沖擊效果，試驗結(jié)果顯示，兩者的動態(tài)抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，PVA-ECC韌性表現(xiàn)稍強(qiáng)于尼龍N纖維-ECC，但尼龍N纖維價格便宜，有望成為PVA纖維的替代品。

以上研究表明，ECC最突出的優(yōu)勢是在較高應(yīng)變率下具有很好的韌性。目前，對ECC動態(tài)性質(zhì)的研究主要集中在ECC動態(tài)抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變率效應(yīng)方面，對ECC的耗能機(jī)理研究較少，尤其是ECC在沖擊作用下破壞形態(tài)與耗能能力之間的關(guān)系方面研究較為匱乏。為此，本文采用Φ50 mm的SHPB裝置重點研究了纖維摻量對ECC抗壓強(qiáng)度、破壞形態(tài)及耗能能力的影響，為今后ECC在抗爆抗沖擊方面的應(yīng)用提供有價值的參考。

1 試驗概況

1.1 原材料及試件制備

本次試驗中的膠凝材料為P.O.42.5級的普通硅酸鹽水泥和I級低鈣粉煤灰，細(xì)骨料為特細(xì)河砂，平均粒徑不超過0.25 mm，添加劑采用高效聚羧酸減水劑，纖維為日本可樂麗公司生產(chǎn)的KURALONTMK-Ⅱ纖維(新型PVA纖維)，纖維表面經(jīng)過涂油處理[10]，滿足與基體材料的黏結(jié)性能，基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 PVA纖維基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of PVA fiber

Li等在ECC基體材料配合比方面作出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)并進(jìn)行了大量試驗，本文所制備的試件的基體材料配合比依據(jù)Li等提出的ECC基體材料的配合比，如表2所示。在試件纖維體積摻量設(shè)計方面，依據(jù)文獻(xiàn)[11]改進(jìn)PVA纖維橋接模型得出的臨界體積摻量，設(shè)計試件纖維體積摻量為0，0.50%，1.25%，2.00%，2.30%。

表2 PVA-ECC配合比Tab.2 PVA-ECC mix ratio 單位：kg/m3

采用外徑Φ50 mm、內(nèi)徑46 mm、長30 mm的PVC管具作為試件模具，試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，采用巖石平磨機(jī)對試件的2個端面進(jìn)行打磨，打磨后的試件直徑為46 mm，厚度為25.2 mm，端面平整度要求小于0.05 mm。打磨后的試件如圖1所示。

圖1 沖擊壓縮試件Fig.1 Impact compression specimens

1.2 試驗設(shè)備及原理

本次試驗采用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沖擊動力學(xué)實驗室研制的Φ50 mm直錐變截面SHPB裝置，加載裝置由子彈系統(tǒng)、入射桿、透射桿及阻尼裝置四部分組成。壓桿全部采用鋼質(zhì)材料，密度為7 850 kg/m3，波速為5 172 m/s，彈性模量為210 GPa。

采用CS-1D型寬頻帶動態(tài)應(yīng)變儀和TST3406型動態(tài)測試儀對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集頻率為 2 MHz。電阻應(yīng)變片柵長為3 mm，阻值為120 Ω，靈敏度為2.10。

在實際試驗中，由于受到應(yīng)變片與壓桿貼合緊密性以及試驗過程中的震動等外界因素的影響，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)實際值與出廠值之間會存在誤差，需要通過空打來進(jìn)行校正，壓桿各位置應(yīng)變片靈敏度系數(shù)實際值如表3所示。

表3 應(yīng)變片實際靈敏度系數(shù)表Tab.3 Actual sensitivity coefficient of strain gauge

桿件尺寸及應(yīng)變片布置如圖2所示。

基于SHPB試驗的2個假設(shè)[12-13]，通過彈性波理論及二波法[14]，可推導(dǎo)出試件的平均應(yīng)力、平均應(yīng)變及應(yīng)變率的計算式分別為

(1)

(2)

(3)

圖2 分離式SHPB試驗裝置(mm)Fig.2 Split SHPB device (mm)

1.3 工況設(shè)置

本次試驗預(yù)備68個試件，每種纖維摻量有2個備用試件，所有試件按照C1～C68的順序編組。5種不同纖維摻量的試件在S1～S4 4個應(yīng)變率范圍下，分別進(jìn)行3次沖試驗，共需進(jìn)行60次試驗。在實際試驗中，試驗的應(yīng)變率無法準(zhǔn)確預(yù)知，只能根據(jù)以往試驗經(jīng)驗及預(yù)試驗初步估算子彈在不同氣壓下的撞擊速度以及試件所處的實際應(yīng)變率范圍。試件編組及應(yīng)變率范圍設(shè)置如表4所示。

表4 試件編組及應(yīng)變率設(shè)置Tab.4 Test piece assembly and strain rate setting

2 試驗結(jié)果處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)變片記錄的是電壓信號，要求得入射桿和透射桿中實際的應(yīng)力波時程信號，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)惠斯通對臂橋路的原理，得到電壓信號與應(yīng)變的關(guān)系為

(4)

式中：σ(t)為應(yīng)變片位置處壓桿中的應(yīng)力；ε為應(yīng)變片位置處壓桿中的應(yīng)變；E為壓桿的彈性模量；ΔU(t)為應(yīng)變片處的電壓信號；K1為串聯(lián)應(yīng)變片數(shù)，取值為2；K2為應(yīng)變片實際靈敏度系數(shù)；U0為每1 000 μ應(yīng)變對應(yīng)的電壓，動態(tài)壓縮時取值為2 V。

通過式(4)計算得到的試件C2在S1應(yīng)變率范圍下的典型應(yīng)力時程曲線，如圖3所示。

圖3 在S1應(yīng)變率范圍下典型波形時程曲線Fig.3 Typical wave-type time history curve in the strain rate range of S1

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

不同纖維摻量試件在S1～S4應(yīng)變率范圍下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4(a)～圖4(d)所示。由圖4可以直觀看出，各個應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可以分為3個階段：線性上升階段、非線性上升階段以及卸載階段。

由圖4(a)可以明顯看到，隨著纖維摻量的增加曲線直線上升階段延長，曲線非線性上升階段的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變都增加，曲線的卸載階段差異明顯。纖維摻量為0，0.50%和1.25%的試件卸載段曲線相似，這是由于試件在峰值應(yīng)力后試件表現(xiàn)出典型的脆性破壞，無法繼續(xù)提供承載力，導(dǎo)致應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加驟降；與以上截然不同的是，纖維摻量為 2.00%和 2.30%的試件卸載階段的曲線與線性上升階段幾乎平行，這說明試件并沒有完全進(jìn)入塑性破壞階段，卸載后彈性變形恢復(fù)。

在圖4(b)中，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件的線性上升階段和非線性上升階段曲線趨勢與圖4(a)相同，卸載階段變化較大。原因是隨著應(yīng)變率的提高，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件破壞模式發(fā)生變化，卸載階段的可恢復(fù)變形消失，脆性破壞特征明顯。

在圖4(c)中，各纖維摻量試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢與圖4(b)相同，不再贅述。

圖4(d)與其他組數(shù)據(jù)有著明顯不同，所有試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎重合，這表明隨著應(yīng)變率的提高，纖維摻量對峰值強(qiáng)度的影響逐減小。原因是在高應(yīng)變率下混凝土類材料的動模量會有較大幅度的提高[15-17]，在S1～S3應(yīng)變率范圍下彈性模量約為25 MPa，在S4應(yīng)變率范圍下彈性模量約為45 MPa。PVA纖維彈性模量較低，基體材料與纖維之間的彈性模量差距較大，導(dǎo)致纖維的增強(qiáng)作用不明顯。

圖4 在S1～S4應(yīng)變率范圍下各纖維摻量試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress strain curve of each fiber mixing test piece from S1 to S4 strain rate

2.3 動態(tài)抗壓強(qiáng)度分析

為了定量表達(dá)應(yīng)變率對動態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響，引用動態(tài)強(qiáng)度增長因子(dynamic intensity factor，DIF)表達(dá)應(yīng)變率效應(yīng)，即動態(tài)強(qiáng)度與靜態(tài)強(qiáng)度之比。ECC動態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響因素主要有2個：一是應(yīng)變率的影響；二是纖維摻量的影響。

各纖維摻量下DIF與應(yīng)變率的關(guān)系，如圖5所示。由圖5中可知，對于相同纖維摻量的試件來說，動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增加，應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)顯著，基體材料的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)于ECC的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。

圖5 DIF與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.5 The relationship between the DIF and the strain rate

DIF與纖維摻量之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知，與應(yīng)變率的增強(qiáng)規(guī)律不同，纖維摻量對動態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響是復(fù)雜的。當(dāng)應(yīng)變率在36.5 s-1以下時，試件的動態(tài)抗壓強(qiáng)度并不是隨著纖維摻量的增加而簡單地逐步遞增，纖維摻量為0.50%和1.25%的試件相較于基體材料的動態(tài)抗壓強(qiáng)度提升并不明顯，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度有較大的提升，分別提高了10.4%和13.8%。在高應(yīng)變率范圍下(≥57.8 s-1)，纖維摻量為0.50%和1.25%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度相較于基體材料變化不明顯，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度有小幅提升,但增幅降低，具體表現(xiàn)為：在S3應(yīng)變率范圍下，纖維摻量為0.50%和1.25%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度相較于基體材料分別小幅減弱0.8%和3.0%，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度分別小幅提升2.0%和0.3%；在S4應(yīng)變率范圍下，纖維摻量為0.50%，1.25%，2.00%及2.30%的試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度相較于基體材料分別小幅提升3.0%，0.7%，0.2%和2.0%。綜合以上數(shù)據(jù)可以看出，纖維摻量為0.50%，1.25%的ECC與基體材料在不同應(yīng)變率下的變化規(guī)律相似，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)；纖維摻量為2.00%和2.30%的ECC在較低應(yīng)變率時，ECC動態(tài)抗壓強(qiáng)度增幅較大，在較高應(yīng)變率時增幅有所減弱。

圖6 DIF與纖維摻量的關(guān)系Fig.6 The relationship between the DIF and fiber incorporation

寧建國等[18]研究發(fā)現(xiàn)，DIF的取值與應(yīng)變率的對數(shù)有一一對應(yīng)的關(guān)系，并得出了

(5)

通過線性回歸擬合得到常數(shù)C和D，如表5所示。

表5 C和D擬合值Tab.5 C and D fit values

2.4 動態(tài)峰值應(yīng)變分析

各纖維摻量下峰值應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7中可知，各個曲線的峰值應(yīng)變具有應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，在低應(yīng)變率時，曲線的斜率較大，纖維摻量對峰值應(yīng)變的增強(qiáng)作用較為明顯，隨著應(yīng)變率逐漸提高，曲線斜率趨緩，纖維對峰值應(yīng)變的影響減弱。

圖7 應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.7 Relationship between strain and strain rate

各應(yīng)變率下峰值應(yīng)變與纖維摻量的三維關(guān)系圖，如圖8所示。由圖8可知，隨著纖維摻量的增加試件的峰值應(yīng)變有提高的趨勢，不同應(yīng)變下曲線趨勢有所不同。在 S1應(yīng)變率范圍下，峰值應(yīng)變增幅隨纖維摻量的增加而增加，摻有 0.50%，1.25%，2.00%和2.30%的纖維的試件峰值應(yīng)變分別比基體材料增加了2.7%，0.8%，6.4%和20.0%。但隨著應(yīng)變率的提高，纖維對峰值應(yīng)變的增強(qiáng)作用減弱，當(dāng)應(yīng)變率范圍提高到S4時，摻有0.50%，1.25%，2.00%和2.30%纖維的試件峰值應(yīng)變增幅分別減少至 0.9%，0.7%，0.7%和1.7%。原因是在應(yīng)變率較低時，纖維與基體材料之間橋接應(yīng)力較大，纖維被拉長并與基體之間出現(xiàn)滑移，形成多條裂縫，ECC的峰值應(yīng)變增幅較基體有明顯的提升；在應(yīng)變率較高時，纖維與基體之間的橋接應(yīng)力遠(yuǎn)小于斷裂應(yīng)力，此時纖維表面附著的基體材料瞬間被剝離，纖維與基體之間滑移大幅減弱，導(dǎo)致纖維對峰值應(yīng)變的影響不明顯。

圖8 應(yīng)變與纖維摻量的關(guān)系Fig.8 Relationship between strainand fiber incorporation

2.5 應(yīng)變率與纖維摻量對ECC能量耗散的影響

能量耗散是衡量混凝土類材料抗沖擊能力重要的指標(biāo)之一。在沖擊壓縮荷載下，結(jié)構(gòu)能量的耗散主要分為4個部分：一是結(jié)構(gòu)碎片的動能；二是結(jié)構(gòu)的變形能；三是結(jié)構(gòu)表面裂紋擴(kuò)展所消耗的表面能；四是小部分的內(nèi)能、聲能等。文獻(xiàn)[19]表明，試件破碎及表面裂紋擴(kuò)展所消耗的能量占試件耗散能的95%以上，其次是碎片的動能。

文獻(xiàn)[20-22]給出了SHPB試驗中試件的入射能、反射能、透射能以及耗散能的計算方法

(6)

(7)

(8)

WeD=WeI-WeR-WeT

(9)

式中：WeI為入射能；WeR為反射能；WeT為透射能；WeD為耗散能。

運(yùn)用式(6)～式(9)得到C44試件的典型能量時程曲線，如圖9所示，其他試件的能量時程曲線可用相同的方法得到。

圖9 纖維摻量為2.00%的試件在S2應(yīng)變率范圍下的能量時程曲線Fig.9 Energy time curve of fiber incorporation is 2.00% at S2 strain rate level

試驗發(fā)現(xiàn)，耗散能的大小與纖維摻量、應(yīng)變率有關(guān)。為了對比纖維摻量及應(yīng)變率對試件耗能情況的影響，定義了能耗比η，它表示ECC所耗散的能量占受到的實際沖擊能量(入射能-反射能)的比值，表達(dá)式為

(10)

通過式(10)計算得到的各纖維摻量的試件在S1～S4應(yīng)變率范圍下的能耗比，如表6所示。

表6 在S1～S4應(yīng)變率范圍下不同纖維摻量試件的能耗比Tab.6 Energy consumption ratio of different fiber content specimens in the range of S1-S4 strain rate 單位：%

各纖維摻量下能耗比與各應(yīng)變率范圍的三維關(guān)系圖，如圖10所示。從圖10中可以看出，在S1～S4應(yīng)變率范圍下，各纖維摻量的試件能耗比隨著應(yīng)變率的增大而增大，不同纖維摻量的試件的規(guī)律有所不同：纖維摻量為2.00%和2.30%的試件能耗比曲線趨勢相近，最終趨于某一值附近；相較于纖維摻量為2.00%和2.50%的試件，纖維摻量為0和0.50%的試件在應(yīng)變率小于S2時能耗比較高。原因是低纖維摻量的試件在S1和S2應(yīng)變率范圍下破壞形態(tài)均為破碎狀態(tài)，透射能較??；較高纖維摻量的試件在上述應(yīng)變率范圍下表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，塑性變形量較小，碎片較少，入射能量大部分以反射能和透射能的形式表現(xiàn)出來，因此能耗比較低。

圖10 能耗比與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.10 The relationship between energy consumption ratio and strain rate

各應(yīng)變率范圍下能耗比與纖維摻量的三維關(guān)系，如圖11所示。由圖11可以看出：在S1應(yīng)變率范圍下，試件的能耗比隨著纖維摻量的增加明顯提升；在S2～S3應(yīng)變率范圍下，各纖維摻量試件的能耗比較為接近且均在90%以上。

圖11 能耗比與纖維摻量的關(guān)系Fig.11 The relationship between energy consumption ratio and fiber mixing amount

2.6 破壞形態(tài)與能量耗散的關(guān)系

在S1～S4應(yīng)變率范圍下，不同纖維摻量試件的典型破壞形態(tài)，如圖12(a)～圖12(d)所示。由圖12可以看出，破壞程度與應(yīng)變率、纖維摻量2個因素直接相關(guān)。

圖12 在S1～S4應(yīng)變范圍下各纖維摻量試件的破壞形態(tài)Fig.12 Failure morphology of each fiber mixing testin the S1-S4 strain range

為了準(zhǔn)確描述試件的破壞程度，以試件碎片平均直徑D作為衡量指標(biāo)，通過篩分析法[23]定義了D的計算方法

(11)

式中：n為篩網(wǎng)數(shù)量；rn為第n個篩網(wǎng)的篩孔直徑；mn為第n個篩網(wǎng)的篩出碎片質(zhì)量；M為試件質(zhì)量。篩分析試驗結(jié)果如表7所示。

表7 篩分析試驗結(jié)果Tab.7 Results of the screening analysis test

為定量分析試件破壞程度與能耗比之間的關(guān)系，定義完整度ω，即碎片平均直徑D與試件原始直徑之比，計算式為

(12)

各纖維摻量試件碎片平均直徑D與應(yīng)變率的關(guān)系，如圖13所示。由圖13可以看出，當(dāng)纖維摻量相同時，隨著應(yīng)變率的提高，試件碎片直徑越來越小，破壞越來越明顯，表現(xiàn)出水泥基材料在高應(yīng)變率下具有的脆性特征。

圖13 平均直徑與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.13 Relationship between mean diameter and strain rate

試件碎片平均直徑D與纖維摻量之間的關(guān)系，如圖14所示。由圖14可以看出，在各應(yīng)變率范圍下，基體材料的試件碎片平均直徑最小。在S1應(yīng)變率范圍下，纖維摻量為0.50%，1.25%，2.00%和2.30%的試件碎片平均直徑相較于基體材料分別提高了12.0%，57.0%，57.0%，57.0%；在S4應(yīng)變率范圍下，分別提高了23.0%，64.0%，96.0%，88.0%。在高應(yīng)變率下，纖維摻量為2.00%和2.30%的試件碎片平均直徑約為基體材料的2倍，這表明當(dāng)纖維摻量在2.00%左右時，能夠有效削弱沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的破壞作用。

圖14 平均直徑與纖維摻量的關(guān)系Fig.14 Relationship between mean diameter and fiber admixture

不同纖維摻量下的能耗比η和完整度ω的變化曲線，如圖15所示。由圖15可以看出，隨著應(yīng)變率的提高能耗比η逐漸上升，完整度ω逐漸下降，在能耗比η>90%時，纖維摻量為2.00%，2.30%的試件完整度仍能保持在0.4左右，基體材料試件完整度約為0.1，而纖維摻量為0.50%和1.25%的試件完整度則介于兩者之間。這一結(jié)論與圖4中的試驗現(xiàn)象相符，充分地說明ECC能夠有效減少建筑結(jié)構(gòu)在沖擊作用下產(chǎn)生的碎片數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，避免或減少震塌現(xiàn)象對人員和裝備造成的二次傷害。

圖15 完整度、能耗比與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.15 Relationship between energy consumption ratio, completeness and strain rate

3 結(jié) 論

本文利用SHPB裝置對ECC試件在不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮特性及耗能機(jī)制進(jìn)行重點研究。主要結(jié)論如下：

(1) 在較低應(yīng)變率(15 s-1)下，隨著纖維摻量的增加 ECC 的應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度、應(yīng)變峰值顯著提高，試件的破壞程度逐漸變??；在較高應(yīng)變率(200 s-1)下,纖維對應(yīng)力應(yīng)變曲線的形態(tài)影響變小；與基體材料的主要區(qū)別表現(xiàn)在隨著纖維摻量的增加軟化階段的曲線斜率變小，殘余強(qiáng)度較基體材料高。

(2) 隨著應(yīng)變率的提高，ECC的動態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)峰值應(yīng)變均具有應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。在低應(yīng)變率下，纖維摻量對DIF的影響不顯著，峰值應(yīng)變的提升較為顯著；在高應(yīng)變率下，纖維摻量能顯著降低DIF值，減弱ECC動態(tài)抗壓強(qiáng)度應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，能夠維持ECC動態(tài)抗壓的強(qiáng)度穩(wěn)定不隨應(yīng)變率的變化劇烈波動。

(3) 定義了完整度的概念，較合理地量化了ECC的破壞情況。通過分析不同應(yīng)變率下各纖維摻量的ECC能耗比與完整度之間的關(guān)系，得出在應(yīng)變率較高(200 s-1)下，ECC的能耗比能夠保持在90%以上，纖維摻量為2.00%和2.30%的ECC完整度能夠保持在0.4左右，基體材料的完整度約0.1，ECC能夠有效減弱震塌效應(yīng)，為ECC在抗爆加固領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益參考。