楊謹(jǐn)鴻,李秀地,王起帆,羅銀劍

(陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331)

0 引 言

混凝土因其高抗壓強(qiáng)度和易澆筑成型的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類軍民建筑工程。而普通混凝土的準(zhǔn)脆性特質(zhì)尤其是在拉伸狀態(tài)下的脆性破壞行為，使得爆炸等強(qiáng)動(dòng)載對(duì)建筑物的破壞十分嚴(yán)重——即便沒有造成毀滅性倒塌，混凝土在沖擊中形成的層裂碎片噴射飛濺，也會(huì)給周圍的人員和設(shè)備帶來極大的安全隱患。因此，研發(fā)具有較強(qiáng)抗爆炸沖擊能力的特殊水泥基材料，是軍民工程防護(hù)領(lǐng)域亟須研究的重要課題，具有極大的軍事意義以及社會(huì)效益。

工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite, ECC)是20世紀(jì)90年代美國密歇根大學(xué)的Li教授研究團(tuán)隊(duì)[1]開發(fā)出的一種獨(dú)特的具有超高延性和韌性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其極限拉伸應(yīng)變最高可達(dá)8%，同時(shí)具有穩(wěn)態(tài)多縫開裂和拉伸應(yīng)變硬化的特征。圖1展示了典型ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其裂縫寬度控制能力，圖2展示了ECC優(yōu)異的彎曲變形能力。目前，ECC的靜態(tài)力學(xué)性能及耐久性已經(jīng)得到了較為全面的研究，各國學(xué)者對(duì)其也有了基本的定義：使用纖維體積摻量在2%左右的隨機(jī)亂向短切纖維增強(qiáng)，受拉時(shí)裂縫穩(wěn)態(tài)開裂，具有顯著應(yīng)變硬化特征，極限受拉狀態(tài)下基體密集產(chǎn)生寬度不超過100 μm微裂縫，極限拉應(yīng)變能穩(wěn)定達(dá)到3%以上的水泥基復(fù)合材料[1-3]。同時(shí)，ECC設(shè)計(jì)理論與制備工藝也日趨成熟，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用[3-4]。

圖1 典型ECC應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂縫寬度控制圖[5]Fig.1 Tensile stress-strain curves and tight crackwidth control of ECC[5]

圖2 ECC薄板抗彎試驗(yàn)[6]Fig.2 Bending test of ECC thin plate[6]

ECC良好的延展性、應(yīng)變硬化能力及其在微裂縫穩(wěn)態(tài)開展中所展現(xiàn)的能量吸收能力，引起了研究者對(duì)ECC抗爆抗沖擊能力的研究興趣[7]。本文在概述ECC發(fā)展背景及性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)ECC抗爆抗沖擊性能，綜述了相關(guān)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及沖擊爆炸研究結(jié)果，以期為ECC抗爆抗沖擊能力的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 ECC概述

正如吳中偉院士[8]所指出——以纖維增強(qiáng)為核心的復(fù)合化是提升水泥基材料性能的重要途徑。目前，纖維增強(qiáng)是國內(nèi)外學(xué)者增強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度、提升混凝土延展性的主要研究方向。普通的纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)通過在水泥基體中添加纖維，一定程度上提高了材料抗拉強(qiáng)度、抗彎韌性和耐久性，但在拉伸載荷下其應(yīng)變能力并未得到明顯提高，仍存在拉伸軟化行為。而近年來研制出的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(HPFRCC)，雖然將FRC的準(zhǔn)脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃平饘俚难有詰?yīng)變硬化行為，但較大的纖維體積摻量導(dǎo)致加工難度大、成本高，限制了這種材料的實(shí)際應(yīng)用。

作為FRC的特殊分支，ECC在理論設(shè)計(jì)上摒棄了普通FRC所基于的“復(fù)合材料理論”和“纖維間距理論”[9]。國際水泥混凝土小組開創(chuàng)性地將斷裂力學(xué)概念應(yīng)用于FRC分析的基礎(chǔ)上，Li等[10]于1992年提出了基于微觀力學(xué)和纖維橋聯(lián)理論的 ECC材料設(shè)計(jì)理論，使ECC的延展性和韌性較FRC有了顛覆性的提升。圖3展示了ECC、FRC和素混凝土(PC)的拉伸破壞模式[11]。

1.1 應(yīng)變硬化設(shè)計(jì)及條件

Li等[1]在對(duì)ECC進(jìn)行性能設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用了微觀力學(xué)這一有力工具。微觀力學(xué)作為ECC設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)，將宏觀特性與微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，使復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)定制以及材料優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)。而ECC英文全稱中“Engineered”一詞是為了體現(xiàn)出ECC性能設(shè)計(jì)所涉及的成分定制和優(yōu)化方法。

經(jīng)Li等[1，10]歸納發(fā)展的準(zhǔn)應(yīng)變硬化模型及其補(bǔ)充性能參數(shù)是目前ECC 材料設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)。該理論認(rèn)為，對(duì)纖維橋聯(lián)作用下的裂縫擴(kuò)展過程進(jìn)行微觀力學(xué)分析與設(shè)計(jì)，使ECC在拉伸荷載下產(chǎn)生多縫穩(wěn)態(tài)開裂行為是提升ECC 延展性并賦予其良好應(yīng)變硬化能力的關(guān)鍵[10]。同時(shí)，基于理想單軸拉伸狀態(tài)下橋聯(lián)纖維平均應(yīng)力(σ)與裂紋開度(δ)之間的關(guān)系曲線(見圖4)，該理論提出了實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化的兩個(gè)條件：強(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則[1]。

圖3 不同水泥基材料的拉伸破壞模式[11]Fig.3 Different tensile failure modes incementitious composites[11]

圖4 典型ECC單軸拉伸狀態(tài)下橋聯(lián)纖維應(yīng)力-開度關(guān)系曲線[9]Fig.4 Typical σ-δ constitutive relation of ECC[9]

1.1.1 強(qiáng)度準(zhǔn)則

強(qiáng)度準(zhǔn)則又稱為初始開裂準(zhǔn)則，表示為：

σcr<σ0

(1)

即基體初始開裂強(qiáng)度σcr必須小于纖維的最大橋聯(lián)強(qiáng)度σ0。若滿足該要求，纖維便可在基體達(dá)到開裂強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫的同時(shí)，發(fā)揮橋聯(lián)作用，承擔(dān)起裂縫處的應(yīng)力，并依托與基體間的界面粘結(jié)作用將應(yīng)力傳遞至附近未開裂基體。當(dāng)受力不斷加大時(shí)，循環(huán)重復(fù)“基體開裂—纖維橋接—應(yīng)力傳遞—基體開裂”這一過程，直至微裂縫達(dá)到飽和，出現(xiàn)大裂縫開裂破壞。顯而易見，若不能滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則，傳遞應(yīng)力的纖維在基體開裂時(shí)即被拉斷，也就無法發(fā)生后續(xù)的多縫連續(xù)開裂過程。

1.1.2 能量準(zhǔn)則

能量準(zhǔn)則又稱為穩(wěn)態(tài)開裂準(zhǔn)則。裂縫擴(kuò)展方式與纖維受力后是從基體拔出還是自身斷裂有關(guān)，而這一過程首先應(yīng)滿足裂縫擴(kuò)展過程中的能量平衡：

(2)

即基體受外力產(chǎn)生的能量可平衡轉(zhuǎn)化為橋聯(lián)纖維抵抗裂紋擴(kuò)張所耗能量和破壞裂縫尖端強(qiáng)度Jtip所耗能量。公式(2)中：σSS為穩(wěn)態(tài)開裂極限應(yīng)力，δSS為與σSS相對(duì)應(yīng)的裂縫開度，且等號(hào)左邊部分稱為補(bǔ)足能(complimentary energy，即圖4中陰影部分面積)。同時(shí)從圖4中可以得出補(bǔ)足能的最大值J′b為：

(3)

式中：δ0為纖維最大橋聯(lián)強(qiáng)度σ0對(duì)應(yīng)的裂縫開度。

為保證裂縫擴(kuò)展過程的穩(wěn)定狀態(tài)，能量準(zhǔn)則還規(guī)定裂縫尖端強(qiáng)度耗能應(yīng)小于最大補(bǔ)足能：

Jtip

(4)

Li等[1]認(rèn)為，只有當(dāng)補(bǔ)足能足夠大，裂縫才能在保持纖維橋聯(lián)作用的條件下穩(wěn)定擴(kuò)展，并形成多縫開裂；反之，裂紋會(huì)沿著類似于格里菲斯裂紋(見圖5)擴(kuò)展過程進(jìn)行橫向擴(kuò)展，在裂紋尖端形成軟化區(qū)域，并發(fā)生普通FRC常見的應(yīng)變軟化行為[10]。為得到較大的補(bǔ)足能，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦w維-基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度：界面粘結(jié)較弱使纖維易于拔出，導(dǎo)致σ-δ曲線中σ0偏小；界面粘結(jié)過強(qiáng)使纖維易被拉斷，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展寬度偏小。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致最大補(bǔ)足能J′b的降低[12]。

圖5 格里菲斯裂紋示意圖[1]Fig.5 Griffith type crack[1]

1.2 ECC性能的影響因素

基于斷裂力學(xué)和變形機(jī)制構(gòu)建的微觀力學(xué)模型和前述ECC設(shè)計(jì)理論中的控制條件，可以通過適當(dāng)調(diào)整性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出具備多縫穩(wěn)態(tài)開裂效果和應(yīng)變硬化行為的ECC，并在保持低纖維體積分?jǐn)?shù)的情況下進(jìn)一步提高其拉伸初裂強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變。這需要均衡考量纖維、基體以及纖維-基體界面對(duì)纖維橋聯(lián)和應(yīng)力傳遞的影響與作用。

1.2.1 纖維的影響

作為ECC的增強(qiáng)材料，纖維是發(fā)揮橋聯(lián)作用的主體，而纖維類型、體積摻量、幾何形狀、長徑比以及強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)ECC性能產(chǎn)生了直接的影響[10]。就纖維類型而言，目前研究較多的ECC增強(qiáng)纖維有聚乙烯(PE)纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維和聚丙烯(PP)纖維，鋼纖維作為混雜纖維在ECC中也有應(yīng)用[13-14]。高模量纖維(如鋼纖維)，因?yàn)槭芾巫冚^小，對(duì)基體約束更強(qiáng)，通?？墒笶CC具有較高的極限強(qiáng)度和較低的應(yīng)變能力，而相對(duì)較低模量的纖維(如PE和PP纖維)則表現(xiàn)出相反的作用[15]。單纖維拔出試驗(yàn)表明纖維長而細(xì)有利于滑移硬化的產(chǎn)生，但同時(shí)，纖維過長會(huì)增大其斷裂趨勢(shì)，并對(duì)攪拌和分散造成困難[3]。另外，纖維的亂向分布均勻程度也對(duì)ECC的能量吸收能力和增韌效果有影響[16]。

1.2.2 基體的影響

基體對(duì)ECC性能的影響來自基體的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和彈性模量等，而水灰比、砂灰比是這些參數(shù)的主要控制因素。水灰比減小會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性的提高；細(xì)骨料的存在雖然可使基體彈性模量增加，但同時(shí)也會(huì)增大其斷裂韌性和抗拉強(qiáng)度[11]，從強(qiáng)度準(zhǔn)則的討論中可知，這對(duì)ECC的應(yīng)變硬化行為和拉伸延性是不利的；另外，砂的存在和水灰比的增加還會(huì)降低界面粘結(jié)強(qiáng)度[17]。因此，必須適當(dāng)控制水灰比和細(xì)骨料數(shù)量，從而調(diào)整基體韌性和界面粘結(jié)強(qiáng)度至合適的范圍，才能在改善ECC彈性模量的同時(shí)，保持其延展性和應(yīng)變硬化能力。

1.2.3 界面的影響

纖維-基體界面間的粘結(jié)作用主要包括化學(xué)粘結(jié)和摩擦粘結(jié)。在FRC中影響不大的纖維脫粘能，卻在ECC中發(fā)揮著重要作用。脫粘過程伴隨著顯著的能量吸收，使ECC具有極高的損傷容限和能量耗散能力。另外，纖維滑移拔出破壞是ECC受拉裂縫穩(wěn)態(tài)開展過程中的重要特征，ECC拉伸應(yīng)變硬化行為正是纖維拔出過程中產(chǎn)生滑移硬化效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。所以，設(shè)計(jì)合適的界面粘結(jié)強(qiáng)度以保證纖維與基體間的摩擦力處于適當(dāng)范圍至關(guān)重要。

使用PVA纖維制備ECC時(shí)，因PVA具有親水性，其分子鏈中存在的羥基與基體形成非常強(qiáng)的化學(xué)鍵，使粘結(jié)強(qiáng)度過高，纖維受拉時(shí)難以脫粘滑移導(dǎo)致斷裂失效[18]。故在 ECC 設(shè)計(jì)中常對(duì) PVA 纖維表面進(jìn)行涂油處理以減小界面粘結(jié)。而其他不親水纖維(如 PE、PP 纖維等)與基體間僅存在摩擦粘結(jié)，纖維易于拔出而無法發(fā)揮增強(qiáng)作用，需要通過等離子處理以增強(qiáng)其與基體的粘結(jié)強(qiáng)度[1]。

2 ECC材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

抗爆抗沖擊材料，必須在高應(yīng)變率下同時(shí)具有足夠的延展性和強(qiáng)度，才能保證防護(hù)結(jié)構(gòu)在承受爆炸沖擊等高速荷載時(shí)具備足夠的變形能力。大變形與允許局部損傷的配合作用，可以最大限度地耗散能量，減少結(jié)構(gòu)及構(gòu)件發(fā)生災(zāi)難性整體破壞的可能性。眾所周知，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下，ECC具有較強(qiáng)的延展性和突出的裂縫寬度控制能力，還具有優(yōu)異的能量吸收能力、較低的缺口敏感性以及非常高的損傷容限。這些特點(diǎn)為ECC在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，同時(shí)，研究者在ECC動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和應(yīng)變率效應(yīng)研究中所取得的成果也為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.1 動(dòng)態(tài)壓縮性能

Hopkinson桿是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用的高速加載裝置。它通過波形加載，可以避免直接撞擊和爆炸等加載方式帶來的不確定性[19]。

Kai等[20]用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)裝置對(duì)ECC材料進(jìn)行了沖擊壓縮試驗(yàn)，得到了不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率增大，ECC的極限強(qiáng)度和相應(yīng)應(yīng)變均增大，說明ECC壓縮性能對(duì)應(yīng)變率敏感。在同普通砂漿動(dòng)態(tài)壓縮性能的對(duì)比試驗(yàn)中，Tan等[21]發(fā)現(xiàn)ECC比砂漿更有韌性。由于泊松效應(yīng)，試樣受壓傾向于橫向膨脹，最后因拉伸強(qiáng)度不足而破壞。當(dāng)壓縮應(yīng)變率在480 s-1左右時(shí)，ECC試樣因其應(yīng)變硬化行為和超強(qiáng)應(yīng)變能力，僅產(chǎn)生多個(gè)微裂紋；而砂漿試樣出現(xiàn)大裂縫，整個(gè)試樣破碎成碎片。

Chen等[22]利用直徑為40 mm的SHPB裝置，研究了沖擊作用下?lián)接蟹勖夯业腅CC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)增長因子(DIF)和能量吸收能力。結(jié)果表明，在200～400 s-1的高應(yīng)變率下，ECC動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度以及能量吸收能力都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，DIF在1到1.6之間，而沖擊峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加變化不顯著。盡管ECC的動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度不是很高，但其承受沖擊載荷的變形能力相對(duì)顯著，極限壓應(yīng)變可達(dá)2%，是普通混凝土的4～6倍。同時(shí)，試樣吸收的能量隨著壓縮應(yīng)變和應(yīng)變率的增加而增加，ECC完全破壞時(shí)吸收的能量在2 070～3 000 kJ/m3之間，約為玄武巖纖維混凝土的2倍。從試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，當(dāng)試樣彈性變形后、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，有一個(gè)明顯的平臺(tái)范圍，即動(dòng)態(tài)壓縮過程存在塑性流動(dòng)現(xiàn)象。這說明了ECC并不會(huì)像普通水泥基材料那樣在短時(shí)間內(nèi)脆性壓裂。另外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)雖然粉煤灰有利于改善ECC的動(dòng)態(tài)應(yīng)變能力，但是粉煤灰含量增大會(huì)使ECC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大幅降低(粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)由50%增加至80%，ECC動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度減半)。因此，為了獲得較好的沖擊性能和符合工程要求的抗壓強(qiáng)度，粉煤灰含量是一個(gè)需要控制的重要參數(shù)。

2.2 動(dòng)態(tài)拉伸性能

從應(yīng)變率為10～50 s-1的單軸拉伸試驗(yàn)，到應(yīng)變率為150 s-1的Hopkinson桿震裂試驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)ECC動(dòng)態(tài)拉伸性能也具有應(yīng)變率敏感性[23-24]。

為了進(jìn)一步定量研究ECC動(dòng)態(tài)拉伸性能及其影響因素，Curosu等[25]設(shè)計(jì)了三種ECC試樣：常規(guī)ECC(PVA-ECC)、高密度聚乙烯纖維ECC(PE-ECC)以及由高強(qiáng)度基體和高密度聚乙烯纖維組成的高強(qiáng)ECC(PE-HSECC)，并通過改進(jìn)的Hopkinson桿對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。該裝置可以產(chǎn)生具有特定的持續(xù)時(shí)間、振幅和上升時(shí)間的梯形縱向拉伸波。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在抗拉強(qiáng)度方面，PVA-ECC動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度最低，而PE-ECC的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度(9.9 MPa)雖然不是三種試樣中最高的，但其增幅最大，DIF達(dá)到了2.8。這與先前單纖維拔出研究[26]得出的結(jié)果非常一致：PE纖維與普通強(qiáng)度基體之間的摩擦粘結(jié)作用對(duì)應(yīng)變率的敏感性是其他纖維基體組合中最強(qiáng)的。同時(shí)，與PVA纖維相反，PE纖維在應(yīng)變率增加的情況下能確保粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)展的可預(yù)測性，這使得PE-ECC的抗沖擊性能能夠通過簡單的材料設(shè)計(jì)(比如調(diào)整基體組成)來實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，雖然PVA-ECC和PE-HSECC在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下具有相當(dāng)大的延展性，但是高應(yīng)變率對(duì)其應(yīng)變能力均產(chǎn)生了負(fù)面影響。PE-HSECC的平均極限應(yīng)變僅為1.2%，為準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中的三分之一。Curosu等[25]認(rèn)為，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)載荷下的界面粘結(jié)強(qiáng)度的增加幅度遠(yuǎn)超纖維拉伸強(qiáng)度的增加幅度，導(dǎo)致纖維在裂紋張開過程中過早斷裂從而使延展性降低。另外，在高應(yīng)變率下，除PE-HSECC因應(yīng)變能力顯著下降導(dǎo)致斷裂功下降外，另外兩種ECC的斷裂功均顯著增加，其中PE-ECC斷裂功(283.6 kJ/m3)及其增幅(5.3倍)均為最高。

針對(duì)PE-ECC在高應(yīng)變率下展現(xiàn)出遠(yuǎn)超PVA-ECC的優(yōu)異性能，為了進(jìn)一步研究其動(dòng)態(tài)抗拉性能并準(zhǔn)確表征其在拉伸沖擊載荷下的力學(xué)行為，Heravi等[27]設(shè)計(jì)了一款重力驅(qū)動(dòng)的分離式Hopkinson拉桿(SHTB)裝置，彌補(bǔ)了Hopkinson桿震裂試驗(yàn)因輸入波波長較短而難以準(zhǔn)確測量高韌性材料性能的缺陷，并在200 s-1的拉伸應(yīng)變率下，測量了PE-ECC的性能(見表1)。從表1中可以看出ECC第一裂紋應(yīng)力、極限應(yīng)變和斷裂功在動(dòng)態(tài)情況下增強(qiáng)明顯。

表1 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸條件下PE-ECC性能參數(shù)[27]Table 1 Performance parameters of PE-ECC under quasi-static and dynamic tensile conditions[27]

通過試驗(yàn)，Heravi等[27]得出了與Curosu等[25]一致的結(jié)論：沖擊載荷下ECC裂紋橋聯(lián)能力不僅取決于基體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，還取決于纖維-基體界面的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度。所以在設(shè)計(jì)抗沖擊ECC時(shí)，考慮界面粘結(jié)強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性十分重要。在高應(yīng)變率情況下，PVA纖維和基體之間的強(qiáng)化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生特殊變化，導(dǎo)致材料動(dòng)態(tài)開裂強(qiáng)度降低并產(chǎn)生應(yīng)變軟化行為；與之相反，雖然PE-ECC中較弱的界面摩擦粘結(jié)使其靜態(tài)抗拉性能較為普通，但當(dāng)應(yīng)變率較高時(shí)，裂紋橋聯(lián)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)而基體抗拉強(qiáng)度輕微增加，兩者共同作用引起多重裂紋的大量增加，使得PE-ECC在應(yīng)變能力和斷裂功方面表現(xiàn)優(yōu)異，甚至超過了PVA-ECC[26]。

2.3 拉伸應(yīng)變率效應(yīng)

由前述可知，ECC對(duì)應(yīng)變率的變化相當(dāng)敏感，且因纖維不同而產(chǎn)生不同的效果。目前，關(guān)于拉伸應(yīng)變率增加對(duì)PVA-ECC材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)及性能的影響，已取得較多研究成果。

大量拉伸試驗(yàn)[28-29]表明，當(dāng)應(yīng)變率從準(zhǔn)靜態(tài)(10-5s-1)增加到低速?zèng)_擊(10-1s-1)時(shí)，ECC抗拉強(qiáng)度顯著增加而應(yīng)變能力少許降低。研究者認(rèn)為應(yīng)變能力降低是由于界面化學(xué)粘結(jié)的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)超過纖維拉伸強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)，導(dǎo)致應(yīng)變率增大時(shí)纖維斷裂加劇，從而削弱了ECC的延展性[24,30]。

隨著應(yīng)變率進(jìn)一步增加至10～50 s-1，ECC抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變能力均有所增加，破壞模式也由明顯的纖維斷裂變?yōu)槔w維拔出[24]。但是與準(zhǔn)靜態(tài)單軸試驗(yàn)不同的是，多重開裂現(xiàn)象不夠明顯，這一情況可用纖維的拔出及塑性變形和試樣的內(nèi)部損傷來解釋[31]。另外，研究者也逐漸認(rèn)識(shí)到，隨著應(yīng)變率增加，纖維更加傾向于斷裂而不是拔出。

Mechtcherine等[31]發(fā)現(xiàn)ECC在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下觀察到的延性和高能量吸收能力，在140～180 s-1的高應(yīng)變率載荷下得以保持甚至改善。ECC拉伸強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)顯著，DIF達(dá)到了6.7，而常規(guī)混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土的DIF分別為6、3.8和5.3。在能量吸收方面，雖然斷裂能的DIF(2.4)與常規(guī)、高性能或超高性能混凝土相似，但是考慮到總斷裂能，ECC在動(dòng)態(tài)荷載下性能優(yōu)勢(shì)明顯。Mechtcherine認(rèn)為高應(yīng)變率下ECC性能提高與大量微裂紋的發(fā)展以及纖維拔出過程前和過程中發(fā)生的大范圍塑性變形有關(guān)，并指出ECC材料設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)預(yù)期的加載速率進(jìn)行調(diào)整。

Yang和Li[32]進(jìn)一步研究了基體、纖維及其界面各自的應(yīng)變率敏感性。結(jié)果表明，基體的斷裂韌性、PVA纖維的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量以及界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度均隨著加載速率的增加而增加，但在較高應(yīng)變率下，各組分性能變化并不均衡，從而影響了ECC性能的發(fā)揮。所以在進(jìn)行ECC材料的抗爆能力開發(fā)時(shí)，必須考慮各個(gè)組分應(yīng)變率效應(yīng)的相關(guān)程度和影響趨勢(shì)，并將應(yīng)變率效應(yīng)納入試驗(yàn)影響因素以及材料數(shù)值模型，以便能夠在爆炸沖擊研究中得出材料的真實(shí)響應(yīng)行為。

2.4 溫度效應(yīng)

炸彈爆炸伴隨著大量熱量釋放，溫壓彈持續(xù)釋放的高溫甚至能融化鋼鐵[33]；而民用建筑遭遇的爆炸，往往也與火災(zāi)、燃料燃燒有關(guān)。ECC中常用的PE纖維和PVA纖維熔點(diǎn)分別為110 ℃和230 ℃，耐熱性較差。已有研究表明，經(jīng)150 ℃加熱后的ECC試樣所承受的沖擊破壞能量比未加熱試樣低11%[34]。所以，在研究ECC材料抗爆能力的同時(shí)，有必要考慮高溫對(duì)材料性能的改變，以及高溫與高應(yīng)變率的耦合效應(yīng)。

Magalh?es等[35]測試了經(jīng)250 ℃高溫預(yù)處理的ECC的殘余拉伸性能。發(fā)現(xiàn)高溫過后，ECC應(yīng)變能力由2.98%降至0.24%，而拉伸強(qiáng)度從2.90 MPa降至0.92 MPa。Mechtcherine等[30]在150 ℃溫度環(huán)境下得到了同樣的下降趨勢(shì)：強(qiáng)度、應(yīng)變能力和斷裂功隨著溫度的升高而降低，并且發(fā)現(xiàn)，處于高溫中的ECC的拉伸強(qiáng)度比高溫處理后的殘余強(qiáng)度更低。齊寶欣等[36]對(duì)經(jīng)不同溫度處理的ECC梁分別進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)未加熱情況下可承受10次沖擊的ECC梁，經(jīng)100 ℃和200 ℃處理并恢復(fù)室溫后，可承受沖擊次數(shù)降為7次和1次，而對(duì)于處于230 ℃的試樣和加熱至500 ℃后恢復(fù)至室溫的試樣，1次沖擊即可使其完全斷裂。

顯然，高溫?fù)p傷使ECC喪失了高強(qiáng)度、耐疲勞和強(qiáng)韌性的特性以及抗沖擊能力。對(duì)此，在具有高熱量釋放背景的爆炸防護(hù)研究中，ECC的熱敏感性值得謹(jǐn)慎考慮。

3 ECC結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能

當(dāng)物體受到?jīng)_擊時(shí)，強(qiáng)脈沖荷載會(huì)在物體中產(chǎn)生含有大量能量的壓縮波，壓縮波在沖擊遠(yuǎn)端自由面因阻抗不同產(chǎn)生反射，經(jīng)疊加后產(chǎn)生凈拉伸應(yīng)力[31]。而當(dāng)凈拉伸應(yīng)力超過物體的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生拉伸破壞，又稱層裂或震塌破壞[37]。顯然，對(duì)于混凝土這類準(zhǔn)脆性材料，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度是其抗沖擊性能的控制因素。

ECC優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能、較強(qiáng)的韌性以及突出的能量吸收能力，使其在防護(hù)工程應(yīng)用上具有很大的前景，相關(guān)防護(hù)性能試驗(yàn)等研究也隨之展開。目前，材料防護(hù)性能的研究主要集中于沖擊荷載下結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)和局部響應(yīng)兩大方面。而具體的試驗(yàn)一般有低加載速率的落錘試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)和高加載速率的射彈試驗(yàn)、爆炸試驗(yàn)。當(dāng)被較大的物體低速撞擊或遠(yuǎn)場沖擊波沖擊時(shí)，目標(biāo)的整體響應(yīng)占主導(dǎo)地位；而高速射彈或近場爆炸對(duì)目標(biāo)的荷載作用是局部集中的，局部響應(yīng)占主導(dǎo)地位[15]。

3.1 抗沖擊試驗(yàn)

3.1.1 低速?zèng)_擊

為量化ECC對(duì)防沖擊板性能的提高程度，Zhang等[7]對(duì)分別由鋼筋混凝土(RC)、FRC和混雜纖維ECC制成的全尺寸防護(hù)板(2 m×1 m×(50～100) mm)進(jìn)行了落錘試驗(yàn)。試驗(yàn)觀察到，隨著撞擊次數(shù)的增加，ECC板內(nèi)部發(fā)生膨脹開裂，板上產(chǎn)生微裂紋區(qū)域并逐漸延伸到?jīng)_擊區(qū)域之外，但在完全穿孔之前各個(gè)厚度的ECC板均只有少量碎片產(chǎn)生。這表明ECC因其優(yōu)異的應(yīng)變能力和高斷裂能而具有較高的損傷容限，同時(shí)，因撞擊區(qū)域外的大量材料參與能量吸收而具有極強(qiáng)的耗能能力。在100 mm厚度的對(duì)比試驗(yàn)中，RC板和FRC板分別在第2次和第7次撞擊后，背面即產(chǎn)生嚴(yán)重碎裂，并最終發(fā)生脆性破壞,而ECC板在經(jīng)歷10次撞擊后也沒有碎片產(chǎn)生。對(duì)于更小厚度的ECC板，10次撞擊也僅造成沖擊面上的小凹痕及周邊些許微裂紋，其結(jié)構(gòu)完整性基本保持不變。圖6展示了不同材料和厚度的防沖擊板擊坑深度和撞擊次數(shù)的關(guān)系，從擬合曲線的趨勢(shì)可以看出，ECC抗沖擊能力明顯優(yōu)于FRC和RC。

圖6 不同材料和厚度的防沖擊板擊坑深度和撞擊次數(shù)的關(guān)系[7]Fig.6 Indent depth against number of impacts withdifferent materials and thickness[7]

Zhang等[7]還采用等效單自由度模型分析了RC板和ECC板的整體響應(yīng)和能量吸收能力。發(fā)現(xiàn)與RC板相比，ECC板因?yàn)闃O限抗力和響應(yīng)撓度更大，所以具有更高的能量吸收能力和整體抗沖擊能力?？偠灾?，與RC、FRC板相比，ECC板的損傷更小，延性和能量吸收能力也更強(qiáng)，抗多次沖擊能力優(yōu)勢(shì)顯著。

未加固砌體墻(URM)承受平面外水平荷載的能力較差，尤其是在爆炸沖擊中極易發(fā)生災(zāi)難性破壞。針對(duì)這一問題，Maalej等[38]基于前期同Zhang等[7]在落錘試驗(yàn)中取得的結(jié)論，考慮使用ECC涂層對(duì)URM進(jìn)行加固，并利用自制的落錘裝置對(duì)橫向放置的砌體墻試件進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。砌體墻試件由實(shí)心黏土磚砌筑，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×100 mm。通過一枚質(zhì)量為51 kg的彈體于4 m高處自由落體實(shí)現(xiàn)沖擊，撞擊前彈體平均速度為8 m/s。試驗(yàn)證明了ECC涂層對(duì)URM抵抗多重低速?zèng)_擊載荷的加固能力。與第一次遭受撞擊即發(fā)生破碎破壞并伴隨大量碎片噴出的URM不同，經(jīng)ECC單面和雙面加固的砌體墻分別能夠承受5次和9次的彈體撞擊，同時(shí)在撞擊過程中ECC表面也沒有發(fā)生碎片噴射。Maalej等[38]認(rèn)為，ECC在用于面層加固時(shí)展現(xiàn)出的突出的耗能能力和防止撞擊產(chǎn)生碎片的能力，主要源自其應(yīng)變硬化和多重微裂紋穩(wěn)態(tài)開裂的行為，而這對(duì)最大限度地降低墻體碎片噴射對(duì)人體的傷害是十分有利的。同時(shí)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由于沖擊面上的ECC加固層吸收了大部分的沖擊能量，所以與單面加固相比，雙面加固可以更好地保護(hù)易碎的砌體夾層，使砌體墻具有更小的壓痕深度、凹坑尺寸以及更高的抗穿透性。

鑒于國內(nèi)沒有完善的混凝土類材料沖擊檢測標(biāo)準(zhǔn)以檢測ECC的抗沖擊性能，李慶華等[39]采用美國混凝土協(xié)會(huì)544委員會(huì)推薦的落錘試驗(yàn)法，寇佳亮等[40]采用自制的大高度大質(zhì)量落錘試驗(yàn)，分別對(duì)ECC試樣和鋼筋ECC板進(jìn)行了抗沖擊性能研究試驗(yàn)，得出了與 Zhang等[7]相一致的結(jié)論，證實(shí)了ECC在沖擊荷載下?lián)p傷小、整體性好、能量耗散力強(qiáng)的特點(diǎn)。

3.1.2 高速?zèng)_擊

Maalej等[15]利用速度為300～750 m/s的小質(zhì)量鋼制射彈，研究了不同厚度ECC板的抗沖擊能力。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，素混凝土的彈坑直徑更大，成塊狀裂開甚至解體；而ECC板在侵徹深度達(dá)到板厚的75%時(shí)才發(fā)生震塌。有研究指出，為防止震塌，素混凝土的設(shè)計(jì)厚度需達(dá)到預(yù)期侵徹深度的2倍[41]。在多次高速?zèng)_擊下，ECC板具備抵抗多重沖擊的能力，盡管較薄的ECC板會(huì)被射彈穿孔，但是板周圍區(qū)域基本上保持完整。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與混凝土中高度局部化的宏觀裂紋區(qū)域相比，ECC板上微裂紋發(fā)展能夠幫助能量耗散，并將輸入能量從沖擊點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)的地方，從而最大限度地增加能量耗散所涉及的材料體積，獲得更好的抗力。ECC板在沖擊荷載下突出的抗碎裂特性和能量吸收能力，證明了其在防止沖擊碎片飛散方面較普通混凝土的顯著優(yōu)勢(shì)。

水泥基材料的抗壓強(qiáng)度是影響高速射彈侵徹深度的主要材料特性。許多研究表明了抗壓強(qiáng)度的重要性：一般來說，較高強(qiáng)度的混凝土具有較好的抗侵徹能力[42]。而眾所周知，常規(guī)ECC因不含粗骨料，造成抗壓強(qiáng)度并不高。針對(duì)ECC可能存在的抗侵徹能力不足的問題，Wang等[43]對(duì)常規(guī)強(qiáng)度ECC板、纖維增強(qiáng)高強(qiáng)砂漿(FRHSM)板以及不同抗壓強(qiáng)度的FRC(60～140 MPa)板進(jìn)行了高速射彈沖擊試驗(yàn)。射彈采用直徑為28 mm、重量約為250 g的卵形彈頭，沖擊速度約為400 m/s和600 m/s。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ECC板與同等強(qiáng)度的FRC板的侵徹深度差別不大；而由于堅(jiān)硬的粗骨料甚至細(xì)骨料的存在，高強(qiáng)度FRC和FRHSM的侵徹深度比ECC小得多，彈坑外徑也更小。此外,Wang等[43]還基于粗骨料和砂漿基質(zhì)的硬度和比例計(jì)算出了各材料的“有效硬度指數(shù)”，發(fā)現(xiàn)侵徹深度隨著有效硬度指數(shù)的增加而減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然抗拉強(qiáng)度和韌性的增加可以提升水泥基復(fù)合材料的抗侵徹性能，但是含有高比例硬組分的水泥基材料將更有效地減小射彈沖擊的侵徹深度。這同時(shí)也為ECC抗沖擊侵徹能力的提升提供了設(shè)計(jì)方向。

3.2 抗爆試驗(yàn)

理想的水泥基類防護(hù)材料，需要在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度上兼具優(yōu)異的性能[44]。考慮到ECC抗壓能力并不突出，目前國內(nèi)外鮮有ECC材料構(gòu)件的爆炸試驗(yàn)報(bào)道。研究者主要將ECC作為組合結(jié)構(gòu)的一部分，利用其韌性好、耗能強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)行爆炸防護(hù)研究。徐世烺等[45]為了驗(yàn)證其提出的水泥基功能梯度抗爆板的抗爆效果。對(duì)由 ECC、C60混凝土(NSC)、超高性能混凝土(UHPC)制成的板體試件進(jìn)行了50 g炸藥當(dāng)量的接觸爆炸試驗(yàn)。試件尺寸為50 cm×50 cm×8 cm，不配置鋼筋。試驗(yàn)觀察到，NSC試件在爆炸作用下裂為4塊并產(chǎn)生了貫穿性震塌，板中心形成環(huán)形震塌坑且有大量碎塊濺出；ECC試件和UHPC試件在迎爆面均產(chǎn)生輕微的圓形漏斗坑，無明顯開裂現(xiàn)象，背爆面均較為完好，無震塌現(xiàn)象(見圖7)。ECC試件背爆面損傷集中在板體中心，產(chǎn)生向四周發(fā)散的密集微裂紋，而UHPC試件的裂紋則集中在板體中軸線附近。試驗(yàn)結(jié)果證明了ECC和UHPC在抵抗爆炸沖擊上優(yōu)于NSC，為抗爆板設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。同時(shí)，ECC背爆面獨(dú)特的損傷模式也體現(xiàn)了其在爆炸荷載下韌性好、整體性強(qiáng)、吸能能力突出的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 各類試件的破壞形態(tài)[45]Fig.7 Failure modes of various specimens[45]

一定爆炸沖擊下，常見砌體或鋼筋混凝體墻體的整體響應(yīng)會(huì)形成較大形變，并在巨大的拉伸和彎曲應(yīng)力下產(chǎn)生碎裂破壞甚至脆性倒塌；而ECC具有拉伸應(yīng)變硬化特性以及優(yōu)異的彎曲韌性和能量吸收能力，是限制結(jié)構(gòu)因較大變形而拉伸破壞和彎曲破壞的理想加固材料[15]。為了驗(yàn)證ECC的抗爆加固效果，Adhikary等[46]對(duì)經(jīng)ECC涂層加固的RC板進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)。爆炸采用球形TNT裝藥，比例距離為0.58 m/kg1/3。ECC加固涂層采用Zhang等[7]開發(fā)的混雜纖維ECC材料，采用不同涂層厚度下背爆面加固和兩面共同加固兩種方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，RC板在經(jīng)ECC加固后峰值位移和殘余位移均減小。與未加固RC板相比，加固后的RC板峰值位移降低了18%～51%，殘余位移降低了28%～72%。這證明了ECC涂層可以顯著提高普通混凝土材料的抗爆性能(見圖8)。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，在涂層總厚度相同的情況下，與僅在背爆面進(jìn)行加固相比，迎爆面ECC涂層減緩了混凝土的壓縮脆性破壞，故雙面加固在降低峰值位移和殘余位移方面表現(xiàn)更好。

圖8 不同加固條件下RC板的殘余位移[46]Fig.8 Residual displacement of RC slab under different reinforcement conditions[46]

3.3 爆炸沖擊數(shù)值模擬

目前，已有不少研究提出了ECC材料的本構(gòu)模型[2]，并創(chuàng)建了相應(yīng)的有限元代碼[47-48]。有限元模擬對(duì)研究ECC防護(hù)性能和預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為方面起著重要作用，特別是對(duì)于爆炸沖擊等極端載荷下的研究來說，有限元模擬既可以降低試驗(yàn)成本，又可以避免實(shí)際試驗(yàn)易產(chǎn)生偶然誤差的問題。為了準(zhǔn)確預(yù)測ECC材料及結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的響應(yīng)，考慮非線性和應(yīng)變率效應(yīng)的材料模型和準(zhǔn)確有效的數(shù)值方法是必不可少的[49]。

Li等[49]建立了能充分反映ECC應(yīng)變硬化特性和應(yīng)變率效應(yīng)的材料模型，并利用LS-DYNA有限元軟件模擬了Maalej等[15]的高速射彈試驗(yàn)。在該數(shù)值模擬中，有限元模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，由拉格朗日網(wǎng)格(單點(diǎn)高斯積分)建模，彈體與板之間的接觸由關(guān)鍵字“*Contact_Eroding_Surface_to_Surface”定義，沖擊行為侵蝕準(zhǔn)則由最大主應(yīng)變和最大剪切應(yīng)變準(zhǔn)則確定，數(shù)值分析全過程采用粘性沙漏控制。經(jīng)比對(duì)，數(shù)值模擬獲得的彈坑直徑和穿透深度等結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致(見圖9)，證明了所開發(fā)數(shù)值模型和模擬技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，為分析ECC結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)提供了一種實(shí)用有效的數(shù)值方法。

圖9 沖擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬的一致性Fig.9 Consistency between impact test and numerical simulation

在處理大應(yīng)變、高應(yīng)變率下的問題時(shí)，HJC模型能較為全面地考慮混凝土類材料結(jié)構(gòu)損傷累積效應(yīng)[50]?；谠撃Ｐ?，徐世烺等[45]用關(guān)鍵字“*MAT_ADD_EROSION” 定義ECC材料最大拉應(yīng)變失效，采用等效塑性應(yīng)變和等效體積應(yīng)變的積累來描述損傷，模擬出了ECC板在接觸爆炸作用下的破壞響應(yīng)，與試驗(yàn)結(jié)果匹配較好(見表2)。

表2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[45]Table 2 Comparison between the results of simulation and test[45]

4 結(jié) 論

ECC韌性延性優(yōu)異，具有應(yīng)變硬化特征，沖擊作用下整體性好，特別是在高應(yīng)變率下具有良好的能量吸收能力。同時(shí)，在微觀力學(xué)和性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)下，纖維性能的不斷開發(fā)、基體成分的靈活組合以及界面性能的精細(xì)化設(shè)計(jì)，使ECC抗爆抗沖擊應(yīng)用潛力巨大。在ECC材料設(shè)計(jì)與防爆性能研究中，筆者有以下幾點(diǎn)建議：

(1)利用微觀力學(xué)工具，通過對(duì)纖維、基體及其界面的微觀結(jié)構(gòu)控制，合理利用纖維強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)ECC抗拉強(qiáng)度和延展性產(chǎn)生的正面作用，同時(shí)規(guī)避高加載率下纖維剛度、界面化學(xué)鍵強(qiáng)度和基體韌性增加對(duì)ECC拉伸應(yīng)變硬化的不利影響。

(2)強(qiáng)度對(duì)于防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性很重要。為了更好地滿足抗沖擊和抗爆結(jié)構(gòu)的功能要求，國內(nèi)ECC的研究還應(yīng)當(dāng)在抗壓強(qiáng)度方面進(jìn)行優(yōu)化。

(3)混雜纖維的使用也是ECC未來發(fā)展的一個(gè)方向。高模量和低模量纖維的適當(dāng)混合，可以幫助ECC在極限強(qiáng)度、裂縫寬度和應(yīng)變能力之間達(dá)到理想的平衡；而具備特殊功能的纖維或許可以給ECC帶來特別的性能，比如形狀記憶合金纖維的形狀恢復(fù)能力能夠在熱處理后快速使ECC的微裂紋自動(dòng)愈合。

(4)進(jìn)一步開展ECC動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系、抗爆抗沖擊作用機(jī)理及其抗爆設(shè)計(jì)方法等方面的研究，為ECC材料在抗爆抗沖擊方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。