活性粉末混凝土抗冲击性能的研究及进展_刘东羽.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296活性粉末混凝土抗冲击性能的研究及进展刘东羽徐金花刘一芳(沈阳工业大学建筑与土木工程学院辽宁沈阳110870)摘要:活性粉末混凝土是近 30 年来发展起来的一种超高性能混凝土，因其具有超高强度、超高韧性以及优异的耐久性等优点，受到行业的广泛关注，并在重大工程中得到应用和推广。但在实际工程中，不可避免受到撞击、爆炸、地震等动态荷载的冲击作用，对军工领域来说，更加考验活性粉末混凝土的抗侵彻性能。首先简要分析活性粉末混凝土的工程应用现状，然后重点对国内外研究学者在活性粉末混凝土抗冲击性能的试验方法、试验结论和数值模拟的研究进行综合论述。关键词:活性粉末混凝土;工程应用;抗冲击性能中图分类号:TU528 1文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0110 04esearch and development of impact resistance of reactive powder concreteLIU DongyuXU JinhuaLIU Yifang(School of architecture and civil engineering，Shenyang University of technology，Shenyang 110870)Abstract:eactive powder concrete is a kind of ultra high performance concrete developed in the past 30 years Because of its advantagesof ultra high strength，ultra high toughness and excellent durability，it has been widely concerned by the industry，and has been appliedand promoted in major projects However，in practical engineering，it is inevitable to be impacted by dynamic loads such as impact，explo-sion and earthquake For the military industry，the anti penetration performance of reactive powder concrete is even more tested First ofall，the current situation of engineering application of reactive powder concrete is briefly analyzed，and then the research methods，test con-clusions and numerical simulation of impact resistance of reactive powder concrete by domestic and foreign researchers are comprehensivelydiscussedKeywords:eactive powder concrete;Engineering application;Impact resistance基金项目:辽宁省交通厅交通科技项目“项目名称:掺入铁尾矿活性粉末混凝土力学性能及其应用研究”(2021037);2020 沈阳市社区治理科技专项项目“低容重活性粉末混凝土(PC)构件设计及其应用研究”(20 206 4 11)作者简介:刘东羽(1996)，男。E-mail:1103852793 qq com收稿日期:2022 07 160引言早先，普通混凝作为一种新型材料因其取材方便、成本低廉、便于成型，所以迅速在工程中得到推广使用。随着社会和经济的不断发展，经过大自然的漫长洗礼，普通混凝土强度低、脆性大、耐久性差等问题开始凸显，导致建筑物的承载力降低，影响建筑物使用寿命。20 世纪90 年代初，ICHAD 等人成功研制出一种新型水泥基复合材料，称为活性粉末混凝土(eactive Powder Concrete 简称 PC)1 2。相比普通混凝土，PC 剔除了粗骨料采用水泥、硅灰、石英砂、高效减水剂和钢纤维，按一定配合比通过高温高压养护制成，具有高强度、高韧性、高耐久性等特点。PC的出现，引起国内外研究学者们广泛的关注，并不断对 PC 进行试验研究和性能改进。因 PC 的优异性能，广泛应用在桥梁工程、海洋工程、隧道工程等工程，并且在军工、核电等重要领域也有应用。目前，针对 PC 的研究，更多地集中在改良制备技术和静态力学性能两个方面，然而，PC 结构在实际工作中可能要经受撞击、爆炸、地震等动态荷载的冲击作用，此时 PC 材料表现出不同于静态加载的力学性能。因为冲击荷载通常作用时间短、能量大，会以高于静态加载许多量级应变率发生变形，是一个复杂的动态变化过程，并且裂纹可能发展迅速，对建筑结构破坏明显。实际工程中例如:用作飞机跑道2023 年 02 期 总第 296 期刘东羽，徐金花，刘一芳活性粉末混凝土抗冲击性能的研究及进展111时，要承受飞机降落时几百吨甚至上千吨的冲击力;山间的公路可能遭受到山体滑坡落石和恶劣天气下泥石流的冲击;在河海中，水流波浪对桥墩和码头设施的不断冲击作用;用作军工防御工程时，要承受导弹的侵彻和爆炸的巨大冲击力。所以，为了确保 PC结构的安全性，以保证生命和财产安全，必须考虑在冲击荷载作用下 PC 材料及其结构的抗冲击性能。目前，抗冲击性能已经成为结构设计中需要考虑的重要因素之一。本文对近年来国内外研究者们有关PC 抗冲击性能的试验方法、试验结论和数值模拟进行概括论述，分析各因素对抗冲击性能的影响，并对PC 的工程应用现状简要介绍。1活性粉末混凝土国内外工程应用1997 年，加拿大魁北克省舍布鲁克市修建了用PC 的人行桥3 4，是世界上第一座以 PC 为材料的大型结构。受地理位置影响，其冬季气温低多雨雪天气，PC 极大提高了桥梁的耐久性减少了桥梁的自重;人行桥采用后张预应力的空腹空间框架，是跨度为 60 m 的拼装桥。2001 年，在美国伊利诺斯州用PC 修建了直径为18 m 的圆形屋盖5，由24 块 型板在现场仅用时 11 d 就拼接完成，极大缩短了工期。因其施工结构新颖，采用新型建筑材料，获得了 Nova奖提名。2002 年修建的酒田未来步行桥6(Sakata Mirai)是日本首个活 PC 桥梁，为单跨简支梁结构，总重为 54 t。2002 年在韩国首尔修建的仙游人行拱桥7(Sunyudo)，跨度为 120 m，是世界上跨径最大的PC 拱桥，主跨采用薄壁箱梁截面，高为 130 cm，宽为 430 cm，顶板厚度仅为 3 cm。如此薄的厚度，普通混凝土是无法满足结构要求的。2008 年在法国埃罗省修建的 PCAnges 步行桥8，跨度为 70 m，宽度为1.8 m，高跨比仅为 1/38，用15 个 PC 的 U 型预制构件，用时一个月拼接而成。2010 在奥地利修建的威尔德 PC 公路拱桥，主拱跨度为 70 m9。2013 年 8月在法国修建的 JeanBouin 体育馆10 11(图 1)，其外壳面积为 21 000 m2，采用自承重双重曲面结构方式，由3600 块预制 PC 薄板拼接而成，简化了施工流程，节省工期。为验证外壳的承载力和耐久性，材料进行了大量的弯曲循环、防水、冲击和冻融等试验，以确保体育馆的使用寿命。国外对 PC 的研究比较早，工程应用技术趋于成熟，相关规范制度也比较完备。我国对 PC 的研究起步比较晚，但发展比较快，已经应用在实际工程当中。2006 年在迁曹铁路滦柏干渠大桥工程中，采用我国自主设计的跨度为 20 m 的 PC预制预应力 T 型梁12。2008 年我国将跨度为 32 m、24 m 的 PC 超低高度 T 型梁应用在蓟港铁路工程中，成功解决了线路跨线净高受限的问题13。2014年在天安门地面改造工程中，经过一系列材料比选，决定用 PC 仿古砖替换原先的混凝土仿古砖(图2)，解决了之前仿古砖孔洞多不美观的问题，且防滑耐磨，耐久性极好，降低了维护成本，具有很好的社会经济效益14。2015 年修建的湖南省长沙市北辰三角洲横四路跨街天桥，总长 74 m，跨径 36.8 m，是我国第一座主梁、桥墩材质全部采用 PC，全部预制拼接成型的箱型连续梁桥。2015 年我国颁布了活性粉末混凝土国家标准(GB/T31387 2015)，规范了 PC的试验方法、检测标准、配合比设计、制备技术等，标志着我国在 PC 的研究应用领域走向成熟。图 1法国 JeanBouin 体育场图 2天安门仿古砖改造工程2活性粉末混凝土的抗冲击性能2.1抗冲击试验方法抗冲击试验方法按照设备驱动力方式的不同，主要分为:SHPB 试验装置;落锤冲击试验装置;112福建建筑2023 年MTS 试验装置;弹射试验装置。以上方法各具特点，可以满足不同的试验要求。霍普金森压杆装置，简称 SHPB 装置。1914 年，英国 Shefield 大学 Hopkinson 提出了测试瞬态脉冲应力的压杆技术，1949 年美国 Brown 大学 Kolsky 对它进行改良，发明了霍普金森压杆。SHPB 装置原理简单，操作方便，运行成本较低，可获得 102 104s1应变率。结合研究者们的试验研究，SHPB 试验装置是目前对 PC 抗冲击试验的首选试验装置。落锤冲击试验装置是由 20 世纪 80 年代 Schrader 设计，并将其应用于混凝土冲击试验研究中。冲击脉冲由落锤的重量和下落高度决定，应变率量级约为 1 10s1，落锤试验装置可以选择锤头的形状和尺寸，可以相对真实的模拟坠物的冲击，还可以一定范围内调节冲击的速度，是最简单的冲击试验装置。也有不少研究者采用落锤试验装置对 PC 进行抗冲击试验研究，然而落锤试验装置支座容易移位，对试件样式要求严格，装置可控性较差，还可能产生二次无规律的冲击，试验结果离散性较大，准确性相对 SHPB 装置较低。MTS 试验装置是 20 世纪 80 年代末，瑞士 Lausanne 理工大学 KauscH.H 首先利用 TSM 装置高速加载聚合物研究力学性能。MTS 试验装置常用于静态荷载加载，通过液体作为内在驱动，应变速率为 106102s1，可以通过增加油泵的液体流动速度，改变加载应变率，实现动态加载。但试验加载作用时间很短，控制稳定恒变的应变速率困难很大，所以很少应用在 PC 的冲击试验当中。弹射试验装置是一种有效研究 PC抗冲击试验方法，利用轻气炮或者不同口径的射弹枪高速射击 PC 靶板，可得到靶板中的压力信号。即可计算冲击压力幅值，轻气炮采用气体驱动，弹丸可以获得极高的初速度，可达 4000 m/s 8000 m/s，可以很好模拟大型建筑物承受高速冲击。但由于试验所需条件高，危险性高，目前主要是用于军方的军工防御建筑的抗冲击试验。2.2活性粉末混凝土抗冲击性能试验混凝土的抗冲击性能强度可直接反应材料的脆性、韧性程度的一种指标，不能单纯用静力学强度反应抗冲击强度。是因为在构件受到冲击荷载时，比静态加载受力更大且时间短，是一个复杂动态过程，并且影响因素较多。刘丽娟、周昱程等15 针对实际工程中深部矿井井壁发生“岩爆”的现象，对比普通高强混凝土、钢纤维混凝土和免蒸 PC 三种井壁材料，采用 SHPB 试验装置进行抗冲击试验，得出免蒸 PC 承受和耗散能量的能力为普通高强混凝土和钢纤维混凝土的的两倍左右。免蒸 PC 产生可测损伤值所需的临界冲击速度，均高于其余两种混凝土，因此免蒸 PC 抗冲击性能最为优异。崔亚男16 以 38CrMnS