UHPC防护工程材料研究进展_赖建中.pdf

书书书第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20221224基金项目:国家自然科学基金面上项目(52078253，51678308)作者简介:赖建中(1978)，男，博士，教授，博导，主要从事防护工程材料和结构研究。通讯作者:何勇(1964)，男，博士，研究员，主要从事新型弹药高效毁伤与工程防护技术研究。Email:yhe1964 。引用格式:赖建中，何勇，任辉启 UHPC 防护工程材料研究进展 J防护工程，2023，45(1):17LAI Jianzhong，HE Yong，EN Huiqi Progress of UHPC protective engineering material researchJProtective Engineering，2023，45(1):17UHPC 防护工程材料研究进展赖建中1何勇1任辉启2(1.南京理工大学工程安全防护技术研究所，江苏 南京 210094;2.军事科学院国防工程研究院，北京 100850)摘要现代战争对防护工程材料性能提出了更高要求。超高性能混凝土(UHPC)作为一种高强度的建筑材料，其抗压强度大于 150 MPa，抗折强度大于 30 MPa，同时具备抗多次打击能力，相较于普通混凝土其防护性能提升巨大。介绍了 UHPC 材料在对抗多次冲击、侵彻、爆炸和侵爆耦合条件下的防护性能及 UHPC 材料的防护机理。为进一步提高 UHPC 材料的抗侵彻性能，提出功能梯度设计方法，使用高强骨料和纤维对 UHPC 材料进行梯度强化，并从实验方法、数值仿真、理论研究等 3 个方面概述功能梯度 UHPC 的设计理念和研究进展。关键词超高性能混凝土;多次冲击;侵彻;爆炸;功能梯度设计Progress of UHPC protective engineering material researchLAI Jianzhong1，HE Yong1，EN Huiqi2(1.Institute of Engineering Safety Protection Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2.Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Beijing 100850，China)AbstractModern warfare requires protective engineering materials with higher performance Ultrahighperfor-mance concrete(UHPC)，as a high strength construction material，has a compressive strength of more than 150MPa and flexural strength of more than 30 MPa Meanwhile，it has the multiple impact resistance capability，whichsignificantly improves the protective performance compared with that of normal concrete This paper first describedthe protective performance and mechanism of the UHPC when countering the multiple impact，penetration，explo-sion and penetrationexplosion coupling;then，proposed a gradient functional design method in order to further im-prove the penetration resistance of the UHPC that uses high strength aggregates and fibers for gradient reinforce-ment;and finally overviewed the concept and research progress of the gradient functional design of UHPC from theaspects of experimental method，numerical simulation and theoretical modelKeywordsultrahighperformance concrete;multiple impact;penetration;explosion;gradient functional design打击武器和防护工程的发展呈现螺旋上升的趋势。作为防护材料的重要组成部分，超高性能混凝土(UHPC)技术在过去 10 年内取得长足发展。UHPC 材料的强度相比传统混凝土材料有了跨越式提升。同时，依靠纤维强化，其失效模式也不再呈现脆断，可靠性有了极大的提高。另外，UHPC 材料在耐久性、可施工性等方面也有巨大的优势。因此，UHPC 材料已被广泛地应用于建筑、桥梁、结构修复等工程中。防护工程是国防建设的重要组成部分，UHPC防护工程2023 年材料凭借其优异的性能，将会有力提升防护工程的综合防护能力。然而，UHPC 材料在防护工程领域中的应用研究还需要在研究手段、实验设计、结构设计等方面进一步完善。研究手段上，早期的 UHPC材料通常只以实验研究为基础，成本高、效率低、实验结果存在偶然性。实验设计方面，先前的实验条件以单次冲击为主，没有紧密贴合实战。结构设计方面，原有的 UHPC 材料通常采用均质设计，没有针对冲击载荷的特点进行优化。近些年来，针对 UHPC 材料存在的问题，研究人员进行了更加细致严谨的研究，弥补了现有UHPC 防护材料存在的缺陷。笔者将对 UHPC 防护工程材料在研究手段、实验设计和结构设计方面的成果进行阐述。实验、理论、数值仿真等综合研究体系的建立，丰富了研究手段，并降低了研究成本;基于实战条件设计了多次打击、不同打击方式耦合下的实验，促进 UHPC 材料防护效果进一步提升;提出了功能梯度设计理论，优化了 UHPC 材料在复杂冲击条件下的综合防护性能。1UHPC 材料设计理论UHPC 材料的设计理论主要包括最密堆积理论、活性粉末理论和纤维强化理论。如表 1 所示，UHPC 的抗压强度可达 150 MPa 以上，抗折强度可达30 MPa 以上，弹性模量可达45 GPa 以上。在三大理论的基础上，学者们进行了一系列优化工作以满足防护工程的需要，例如添加高强粗骨料，改善最密堆积曲线，复合纤维强化等，取得了一定的成效。然而，随着武器弹药毁伤性能的不断提高，单一 UHPC 材料已经略显不足。因此，学者们引入了功能梯度设计理念，进一步提升 UHPC 材料的防护性能。表 1UHPC 性能指标抗压强度/MPa抗弯强度/MPa弹性模量/GPa密度/(kg/m3)1503003010045652 4003 400功能梯度防护材料的设计理念在于，基于冲击过程中的动载荷不均匀，对不同区域进行针对性强化。典型的功能梯度防护材料分为 3 层，如图 1 所示，分别为阻裂层、抗钻层和防塌层。阻裂层采用混杂纤维强化 UHPC，使得材料上表面在受到动态拉伸载荷时，保持结构完整，保护抗钻层。抗钻层采用高强度高硬度粗骨料对 UHPC 进行强化，减少侵彻载荷 对 结 构 的 损 伤。防 塌 层 采 用 钢 纤 维 强 化UHPC，减少背部开裂，维持结构完整。由于 3 层材料均采用相同的 UHPC 材料基体，层与层之间的界面会随着材料的流动而相互融合且最终消失，从而实现无界面的梯度结构，使得材料具备更好的防护性能。实践证明，采用功能梯度设计的 UHPC，其综合防护性能提升 3 倍以上。图 1功能梯度 UHPC 结构示意图2UHPC 防护性能UHPC 的防护性能应当以实战进行检验。作为一种建筑材料，UHPC 材料用作防护工程主要的结构材料，在实战中会遭到多次冲击。而当 UHPC 材料作为地下工程的抗弹层时，有可能遭到钻地弹的连续攻击。然而，以实战条件作为实验手段客观上存在困难。为了解决这个问题，研究者在研究对抗多次冲击和对抗钻地弹打击所需的防护材料时设计了贴近实战的测试方法，以类似的载荷形式研判材料的防护性能。在对抗多次冲击时，使用的实验方法是将初次冲击载荷施加在靶体受冲击面中心，而二次冲击载荷和随后的多次冲击载荷则施加在破坏面最深处。这种冲击载荷可以是弹体侵彻、炸药爆炸或高速射流等。2.1抗冲击性能霍普金森杆可以直观地向 UHPC 材料施加可控的动载荷，因此被广泛地用作 UHPC 抗冲击性能的研究手段。UHPC 材料在霍普金森杆加载条件下，其峰值应力和动态弹性模量与加载应变率存在普适的正相关，这种特性被称为应变率效应。另一方面，采用纤维强化后，UHPC 材料在抗冲击性能上有了显著的提升。这种提升可以从 UHPC 材料具备抗多次高应变率动载荷的能力中体现1。这种抗多次冲击的特性更加贴近实际防护工程的需要，具备对抗武器多次攻击的潜力。2第 45 卷 第 1 期赖建中，等:UHPC 防护工程材料研究进展在 UHPC 材料抗多次冲击的实验中，随着冲击次数的增加，UHPC 材料的峰值应力和弹性模量逐渐减少，相反应变率和峰值应变则逐渐增大。这种行为反映了在多次冲击下 UHPC 材料中损伤的逐渐积累的过程2。而随着损伤的增加，压缩波和拉伸波会发生衰减，并在一定程度后达到稳定。而通过纤维强化带来的阻裂和桥接作用可以强化材料的抗冲击性能，并将开裂裂缝的宽度降低到 0.5 mm以下，如图 2 所示3。因此，在 UHPC 抗冲击材料中，纤维的强化作用非常关键。如图 3 所示，在数次冲击之后，UHPC 靶的峰值应力没有明显下降，而应变量则有所上升，反映了纤维在冲击过程中的形变、拔出、断裂等多种行为能够吸收冲击的能量，使得纤维强化的 UHPC 材料具有极为优秀的抗多次冲击性能。(a)未添加纤维(b)添加纤维图 2纤维对开裂状态的影响3 图 3多次冲击下 UHPC 的应力应变曲线2 引入数学模型描述材料的抗冲击过程有助于对材料的防护性能进行定量评估，而其中较为困难的一点则是对材料的损伤进行量化描述。针对 UHPC材料抗多次冲击中的损伤规律，进行了一系列实验和理论研究。研究的关键点是如何准确地表征UHPC 材料中的损伤情况。一种方式是采用冲击过程中测量的峰值荷载，从而间接地描述材料的损伤程度4。这种方法可以较为简单地表征 UHPC 材料在多次冲击中的损伤，并量化地研究 UHPC 材料在损伤演变中的规律。另一种方法则是使用非线性弹塑性模型定义材料的损伤，并可以使用测量声速的方法表征材料的损伤5。这种方法在冲击结束后测量损伤，具有可重复性，可以更加稳定地得到材料的损伤情况。通过对材料的损伤进行定义，可以将材料在复杂冲击条件下的损伤统一化，从而建立进一步的损伤预测模型。此外，使用数值仿真的方法可以快速简便地对UHPC 材料的抗冲击性能进行研究。仿真条件下得到的结果和实际结果的误差较小(低于 8%)，可用于更加精确的材料和结构设计6。同时，如图 4 所示，UHPC 靶在冲击过程中先在中心发生损伤，随后逐步扩展到靶材边缘。这个过程中能够观察到冲击波、能量吸收、破坏时程等多个难以在实际中测量的实验参数7。图 4UHPC 材料动态破坏过程6 2.2抗侵彻性能冲击侵彻是实战中最常见的毁伤手段，因此，防护工程材料的抗侵彻性能是必须研究的内容。相较于传统的水泥基材料，UHPC 材料的抗多次冲击性能使得其在防护工程中具备很大优势。因此，对于UHPC 材料的抗侵彻性能研究