文/曹君辉 邵旭东
复核/黄政宇
导读：2001年9月11日，位于美国纽约曼哈顿的世贸大厦受到被劫持的飞机撞击，造成灾难性后果。沉痛的教训不仅促使全球安检系统升级，也迫使土木工程师们对结构的抗冲击性能予以空前的关注。通过往期分享的内容我们知道，超高性能混凝土（UHPC）基体致密且富含钢纤维，不仅具有较高的抗压强度和抗拉强度，还表现出优异的变形能力。混凝土的抗冲击性能与其变形能力密切相关，因而UHPC同样具有突出的抗冲击性能。本期将与各位分享UHPC抗冲击性能的研究成果，分为上、下两期，上期主要介绍UHPC在抗压、抗拉、抗弯拉等基本受力模式下的冲击性能，下期将主要介绍UHPC的抗冲击试验装置与方法，并探讨UHPC的抗冲击设计方法。
一、概述
土木工程结构在运营中同时承受静力和动力荷载作用。区分静、动力荷载的基本原则是：荷载大小或方向随时间变化的速率，当荷载变化极为缓慢时可视为静力荷载，反之则应划分为动力荷载（图1）。对于桥梁结构，常见的动力荷载主要包括车辆荷载、人群荷载、风荷载等，也有可能出现地震荷载，甚至可能遭受车辆撞击，船舶、冰块或其他漂浮物撞击、爆炸等强动力荷载。冲击荷载属于高应变率的动力荷载，在材料或结构上的作用时间一般小于自振周期1/3～1/2。
图1. 土木工程结构中的率相关荷载
在介绍UHPC的冲击性能之前，首先了解一下普通混凝土的动力性能。大量研究表明，混凝土的力学性能指标基本都是与荷载（或应变）率相关的，且一般规律为：应变率越高，混凝土的抗压强度、极限应变和断裂能等指标值也越高。
动力增长系数（DIF，Dynamic Increase Factor）是刻画混凝土动力性能的重要指标，其定义为混凝土的动力强度（fd）与静力强度（fs）之比，如式（1）所示。普通混凝土抗压、抗拉强度DIF随应变率的变化规律如图2所示。不难看出，混凝土的强度随着应变率的增加而增加，且抗拉强度的增加幅度更为明显。
图2. 普通混凝土DIF随应变率的变化规律
为什么混凝土在动力荷载下的强度会提高？研究表明，一方面，由于混凝土内部存在孔隙，在高应变率下，空隙水压力迅速增加，协助混凝土骨架抵抗变形，从而提高了材料的强度。另一方面，在静力荷载下，裂缝一般沿着骨料-水泥基体间的薄弱面缓慢扩展，导致强度较低，而当应变率较高时，裂缝来不及寻找最薄弱的扩展路径，可能会穿过粗骨料，同样会提高材料的强度。
与普通混凝土相比，UHPC基于最大堆积密度原理配制，使得材料内部致密，同时，UHPC中掺入了大量的钢纤维。研究表明，这些措施能够进一步提高水泥基复合材料的抗冲击性能，原因是在冲击荷载下，高强水泥基体的破碎和钢纤维的拔出均能吸收大量冲击能量。同时，钢纤维的存在能够有效控制裂缝的发展，防止构件整体破坏，当配置钢筋时，这一效果更为突出（图3）。
图3. 密配筋混凝土CRC（一种UHPC）炮弹侵彻试验
上述组成特点使得UHPC的动力性能明显优于普通混凝土和常规的钢纤维混凝土，能够用于遭受强动力荷载的构件，甚至可用在军事结构和防护结构中。目前国内外学者已对UHPC的抗冲击性能进行了研究，涵盖了UHPC的抗压、抗拉、抗弯拉等多方面。下面对相关研究结果进行分享。
二、UHPC的抗压冲击性能
Rong Z.D.等基于分离式霍普金森压杆（SHPB，Split Hopkinson Pressure Bar）装置对高应变率下UHPC的轴压冲击性能进行了试验研究。UHPC中钢纤维的直径和长度分别为0.175mm和13mm，体积含量为Vf=0，3%，4%。通过试验，得到了各试件在动力荷载下的轴压应力-应变曲线（图4）
图4. 冲击荷载下UHPC轴压应力-应变曲线
由上图可知，1）所有应力-应变曲线的上升段基本上都呈直线，这一现象与UHPC在静力荷载下的轴压应力-应变曲线特征相似；2）对于给定纤维含量，应变率对UHPC的抗压性能影响显著，随着应变率的增加，试件的抗压强度、峰值应变及极限压应变均增加，同时，压缩韧性（即应力-应变曲线所包含的面积）也增加；3）钢纤维同样会影响UHPC的抗压动力性能，当纤维含量增加时，抗压强度和峰值应变相应增加，同时，曲线更加饱满，表明UHPC的抗压韧性得以提高。
UHPC在冲击荷载下的抗压破坏形态同样与应变率密切相关。如图5所示，当应变率较低时（25.9-50.8/s），试件基本完整，而当应变率较高时（82.5-93.4/s）,不含钢纤维的UHPC试件已支离破碎，而含钢纤维的UHPC试件整体仍然保持完好，仅在试件侧面出现一些裂缝，且钢纤维含量越高，裂缝越少。因此，通过掺入钢纤维可以有效避免UHPC出现严重冲击破损现象。
图5. 冲击荷载下UHPC抗压破坏形态
田志敏等对UHPC的抗压冲击试验也表明（应变率为20-90/s），当荷载冲量较小时，UHPC的冲击损伤较小，而当荷载冲量增加到一定值（冲击破坏阈值）时，试件严重破坏，甚至被压碎至粉末状。根据试验结果，试件的静力抗压强度越高，其冲击破坏阈值越大。
三、UHPC的抗拉冲击性能
对UHPC的抗拉冲击试验表明，随着应变率的增加，UHPC的极限抗拉强度及所吸收的能量相应增加（图6），且UHPC可维持应变硬化现象，伴随着多裂缝的出现与扩展。因此，总体而言，高应变率会提高UHPC的轴拉性能。
图6. UHPC轴拉动力应力-应变曲线
但是所掺入的钢纤维增加了UHPC轴拉冲击性能的复杂性。Tran T.N.等采用一种新型的应变能框架冲击装置测试了UHPC的轴拉冲击性能。共制作了两种尺寸的轴拉试件，截面尺寸分别为25×25mm2和25×50mm2。为探明钢纤维类型的影响，在UHPC试件中考虑了三种钢纤维，即扭曲纤维（T）、长直纤维（LS）、短直纤维（SS），三者的等效直径均为0.2mm，长度分别为20mm、19mm、13mm，钢纤维体积掺量均为1.5%。
试验表明，在静力荷载下，所有试件均具有应变硬化特性，极限抗拉强度为10-14 MPa。在应变率为5-24S-1的动力荷载作用下，轴拉试件仍表现出应变硬化特性，极限抗拉强度显著提高，达20-45 MPa。对轴拉力学参数的分析发现，在高应变率下，UHPC极限抗拉强度的DIF为1.2-3.3，极限拉应变的DIF为0.7-6.6，峰值韧性的DIF为0.6-7.6，而裂缝数量的DIF为0.6-1.6。整体而言，UHPC在高应变率下的抗拉性能指标要高于静力试验。需要说明的是，对于极限拉应变、峰值韧性和裂缝数量，一些DIF值小于1，这主要与动力试验技术和装置等因素有关，由于动力试验复杂，当试件-冲击装置间的局部接触不均匀时可能会出现这样的结果。
图7示意了钢纤维类型对UHPC轴拉力学指标在静、动荷载条件下的影响规律。在静力荷载下，UHPC轴抗拉性能指标（极限抗拉强度、极限拉应变、峰值韧性、裂缝数量）的规律均为：扭曲纤维T>长直纤维LS>短直纤维SS。而在高应变率下，长直纤维试件LS具有最高的极限抗拉强度、极限拉应变和峰值韧性。具体地，极限拉应变的高低顺序为：LS>T>SS，而极限拉应变和峰值韧性的高低顺序为LS≈SS>T，这些规律均与静力试验现象不一致；只有裂缝数量的高低顺序与静力试验结果一致，即T>LS>SS。
图7. 钢纤维对UHPC静、动力轴拉性能的影响
为何在静力荷载下，扭曲钢纤维UHPC的抗拉强度比长直钢纤维要高，而在高应变率下却相反？扭曲钢纤维与UHPC的界面粘结强度更高，自然提高了静力抗拉强度。而在高应变率下，钢纤维-UHPC界面间的粘结强度会进一步提高，且相比于长直钢纤维，变形钢纤维对应变率的敏感程度更高。受此影响，长直钢纤维UHPC试件中绝大多数（约97%）的钢纤维被拔出，而扭曲钢纤维UHPC试件中只有约79%的钢纤维被拔出，从而使得扭曲钢纤维UHPC在高应变率下的极限抗拉强度低于长直钢纤维UHPC。
同时，钢纤维-水泥基体粘结强度的提高使得纤维滑移降低，导致扭曲钢纤维UHPC试件中的裂缝宽度更窄。研究中通过高速摄像头记录了UHPC中的裂缝扩展过程，结果表明，扭曲纤维T、长直纤维LS、短直纤维SS试件中在峰值拉应力下的裂缝宽度分别为0.131mm、0.277mm、0.312mm（图8）。因此，高应变率下扭曲钢纤维UHPC的裂缝宽度较窄，从而降低了其极限拉应变。因此，为提高UHPC在动力荷载下的抗拉强度和极限拉应变，需要仔细考虑钢纤维-水泥基体间的粘结性能，避免钢纤维被拉断。
图8. 不同钢纤维UHPC在高应变率下的多缝开裂现象
由图7还可以看出，对于静力荷载，基于小尺寸试件得到的极限抗拉强度一般高于大尺寸试件，而对于动力荷载，基于大尺寸试件得到的极限抗拉强度更高。这一现象可解释为：大尺寸试件具有初始缺陷的概率越高，从而降低了静力抗拉性能。但在动力荷载下，受惯性力和应力波传播效应的影响，UHPC试件的动力行为更复杂。当试件尺寸减小时，试件的惯性力较小，从而降低了对试件所测得的应力历程，致使应力观测结果降低。然而目前的测试手段还难以准确捕捉惯性效应对抗拉强度的影响，因此，对于UHPC动力性能的尺寸效应问题还有待进一步探索。
UHPC中有时也会根据需求掺入合成纤维，为探明合成纤维对UHPC轴拉冲击性能的影响规律，Ravi R.等开展了试验研究。研究中制作了三种试件：1）轴拉试件，以测试UHPC在高应变率下的抗拉性能；2）PE单纤维拉出试件，以测试合成试纤维的拔出性能；3）带缺口的梁试件（不含纤维），以测试UHPC基体的断裂韧性。
基于轴拉试验，掌握了应变率对含PE纤维UHPC抗拉强度的影响规律，如图9所示。由该图可知，UHPC的初裂强度和极限抗拉强度均随加载率的增加而增加，当应变率由0.0001/s增加到10/s时，初裂强度增加了53%，极限抗拉强度增加了42%。但是极限拉应变和平均裂缝间距却持续降低，当应变率在0.0001/s-0.1/s之间时降幅较大，而当应变率超过0.1/s时，极限拉应变变化较小。
（a）抗拉强度 （b）极限拉应变和裂缝间距
图9. 应变率对含PE纤维UHPC轴拉性能的影响
上述规律应与水泥基体的断裂韧性、PE纤维特性以及纤维-水泥基体界面特性的动力效应有关。为探明这些因素的影响规律，分别对UHPC基体、PE纤维、PE-UHPC界面试件进行高应变率下的模型试验。结果发现，随着加载位移率的增加，UHPC基体（不含纤维）的抗拉断裂韧性稳步增长（图10a）。众所周知，纤维混凝土的初裂强度主要受基体强度影响，这就合理解释了含PE纤维UHPC初裂强度随应变率增加的现象。
同时，PE纤维的抗拉强度和弹性模量也会随着加载位移率的增加而增加。当加载位移率0.009mm/s增加到900mm/s时，PE纤维-基体界面粘结强度增加了14%（图10b），相比之下，纤维的抗拉强度和弹性模量增加更为明显，分别增加了21%和85%（图10c）。受这些特性的综合影响，UHPC在高应变率下的极限抗拉强度提高，同时，平均裂缝间距减小（图11），从而降低了试件的极限拉应变。
（a）UHPC基体断裂韧性
(b) 纤维抗拉强度与模量 （c）纤维-UHPC界面特性
图10. 加载率对UHPC基体、PE纤维、纤维-UHPC界面性能的影响
图11. 含PE纤维UHPC的多缝开裂现象
断裂能是刻画混凝土韧性的重要指标。国内外学者已经对混凝土材料进行了大量断裂能试验，但大多基于静力加载模式，而基于轴拉冲击试验开展的断裂能测试很少，对于UHPC尤甚。
Tran N. T.等探索了纤维类型和掺量对UHPC轴拉冲击断裂能的影响，应变率控制在5-92/s。整体而言，无论是在静力荷载还是动力荷载下，UHPC的断裂能均远高于常规混凝土材料（图12）。在高应变率下，UHPC的断裂能甚至高达80kJ/m2。
图12. 不同混凝土的断裂能
研究中定义特征断裂能为应力-应变曲线上升段所包围的面积，软化断裂能为下降段包含的面积。试验结果表明，特征断裂能对应变率十分敏感，在高应变率下DIF值约为1.2-10.2，表明应变率的提高能够增加UHPC的特征断裂能（图13）。
图13. 纤维对UHPC轴拉断裂能DIF的影响
相比之下，软化断裂能对应变率不太敏感，其DIF值在0.5-1.1之间，且具体值与纤维类型、含量等因素有关。由图13可知，含扭曲钢纤维UHPC试件的软化断裂能低于平直纤维。分析其原因仍然与纤维-水泥基体的界面粘结强度有关。由于扭曲纤维与UHPC的粘结强度更高，在高应变率下，相当一部分扭曲钢纤维被拉断（图14），而不是被拔出，这一现象降低了钢纤维跨裂缝间的桥接作用，从而降低了软化段的断裂能。而直纤维更多的是被拔出，进而可获得更高的断裂能。因此，根据这一研究结果，采用平直钢纤维对于优化高应变率下UHPC的轴拉断裂能更有利。
图14. 高应变率下扭曲钢纤维被拉断
四、UHPC的抗弯拉冲击性能
Bindiganavile V.等通过落重试验装置测试了几种混凝土材料（钢纤维混凝土、合成纤维混凝土、UHPC）的抗弯拉冲击性能。结果表明，当下落高度较小时，试件并未完全断裂，而当坠落高度较高时，试件断裂成两半（图15）。在接近破坏前，所有试件中的钢纤维均被拔出。
a）200mm；b）500mm；c）750mm；d）1000mm
图15. UHPC的抗弯拉破坏模式（下落高度）
与常规纤维混凝土相比，在冲击荷载下，UHPC能够耗散更多的能量。其主要原因是，UHPC具有高强的水泥基体和高含量的钢纤维，有效吸收了冲击能。图16对比了三种混凝土材料在不同落重高度下的弯曲韧性，结果表明，UHPC的弯曲韧性明显高于普通纤维混凝土FRC，约为后者的3-4倍。
图16. 不同混凝土的冲击弯曲韧性
Habel K.等研究了UHPC板的抗弯冲击性能。试件为三点弯曲UHPC板。板件的尺寸为： 600mm（长）×145mm（宽）×50mm（高）。落锤重量为10.3kg和20.6kg，冲击瞬间速度约为4.2-4.3m/s，最大应变率约为2/s。试验发现，在第一次落锤中，跨中最大拉应变约为1%，第一次落锤后形成的残余应变为0.6%，但试件未出现大的裂缝。在随后的持续落锤中，板件受拉区出现了多缝开裂现象，在最后破坏阶段，试件跨中受拉区的钢纤维被拔出。
根据Millard S.G.等开展的抗弯拉冲击试验，当应变率小于1/s时，UHPC的抗弯拉强度DIF值接近于1，而当应变率大于1/s时，DIF值大致随着应变率（取对数）线性增加，斜率接近于1/3，如图17所示。
图17. 高应变率下UHPC抗弯拉强度DIF值
