Dynamic split tests of UHPFRC discs and failure mechanism analysis based on μXCT images
-
摘要: 采用分离式霍普金森压杆对钢纤维体积分数为0～3%的超高性能纤维增强混凝土（ultra high performance fibre reinforced concrete, UHPFRC）圆盘试件进行应变率为1.72～7.42 s−1的动态劈裂试验，使用高速摄像机结合数字图像相关（digital image correlation, DIC）法获得试件表面裂缝扩展全过程图像和应变演化过程，并对冲击前后试件进行微观X射线计算断层扫描（micro X-ray computed tomography, μXCT），获得分辨率为56.7 μm的三维内部图像，并进行统计和破坏机理分析。结果表明：(1)相比无纤维试件，掺入1%～3%的钢纤维，静、动劈裂强度分别提高84%～131%和47%～87%，动劈裂强度增强因子（即动静强度比值）为1.07～1.72；(2) DIC应变图像分析表明，无纤维试件裂缝集中、破坏快、能耗低；含纤维试件裂缝弥散程度大、能耗高、延性好，且随着纤维含量的提高而提升；(3) μXCT图像分析表明，试件中钢纤维体积分数为1.04%～2.47%，与设计基本一致，孔洞体积分数为0.98%～1.71%，纤维掺量的提高，降低了孔洞数量和总体积分数，但孔洞的平均体积和平均等效直径增大；裂缝桥连纤维数量的增加，减小了主裂缝的体积和平均宽度，提高了裂缝面的粗糙度和相对表面积，从而提高了试件的强度、能耗、韧性和延性。
-
关键词:
- 动态劈裂 /
- 超高性能纤维增强混凝土 /
- 微观X射线计算断层扫描 /
- 断裂机理 /
- 数字图像相关
Abstract: In order to better investigate the dynamic tensile properties and damage mechanism of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC), dynamic split tests with the strain rates of 1.72－7.42 s-1 were carried out by a split Hopkinson pressure bar for UHPFRC discs with the fibre volume fractions of 0－3%. The surface crack propagation processes of the UHPFRC discs were captured by a high-speed camera and the images were analyzed by the digital image correlation (DIC) technique for strain evolution. Micro X-ray computed tomography (μXCT) scanning of the UHPFRC disc specimens before and after the dynamic tests was also conducted. The 3D images of the internal micro structures of the specimens with a voxel resolution of 56.7 μm were reconstructed, and they were then processed to statistically quantify the distribution, volume fractions and sizes of pores, fibres and cracks. Moreover, the dynamic failure mechanisms, such as pullout from the matrix, bending and breakage of steel fibres, crack propagation and merging in the mortar, etc., were visualized and analyzed. The main results obtained are as follows. (1) The addition of 1%－3% steel fibres raises the static and dynamic splitting strength by 84%－131% and 47%－87%, respectively. The dynamic increase factor (ratio of dynamic to static strength) is 1.07－1.72. (2) DIC images demonstrate that the fibres lead to more dispersed cracks, slower crack propagation, higher energy consumption and higher ductility. (3) The μXCT image analysis shows that the fibre volume fraction is 1.04%－2.47%, consistent with the designed proportion, while the porosity is 0.98%－1.71%. Fibres reduce the porosity and the number of pores, but increase their average volume and equivalent diameter. The increase of crack-bridging fibres reduces the volume and width of main cracks and raises the surface roughness and the relative surface area of cracks, resulting in the increase of strength, energy dissipation, toughness and ductility of specimens. The research data are useful for improvement of dynamic design guidelines and optimization for UHPFRC materials and structures. -
水下爆炸主要包括三个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动，各阶段的荷载效应和宏观行为各有特点又密切联系、相互影响。早期的研究多出于军事应用的目的，着重分析了水下爆炸现象及荷载效应，其中Cole[1]基于对二十世纪中叶前的水下爆炸研究成果的总结分析，对水下爆炸的物理现象、毁伤机理和基本定律进行了研究，形成了比较系统的理论体系。近年来，随着试验和数值模拟技术的发展，研究重心逐渐向复杂边界条件对荷载特性和气泡脉动规律的影响倾斜，对于水深[2]、水面环境[3-4]、水底条件[5-6]、临近结构[3,7]等因素影响下的爆炸荷载效应均有较成熟的研究，这为准确分析水下爆炸的荷载特性和对结构的毁伤机理提供了依据。
爆炸荷载作用下码头结构毁伤效应及毁伤机理研究是一个涉及爆炸荷载特性、多种材料动态本构模型、多介质瞬态动力耦合相互作用、钢筋混凝土结构动力破坏机理和动态性能等多方面的复杂课题，相关系统研究较少，现有研究多集中于钢筋混凝土构件毁伤机理和抗爆特性[8-11]。近年来，张社荣等[12]、王高辉等[13-14]和Li等[15]对水下爆炸下高混凝土坝的毁伤机理和毁伤特性进行了较为系统的研究。国内外就爆炸对码头的毁伤效应和抢修抢建问题已开展了一些研究，但研究对象多为高桩码头，荷载作用方式多为空爆和内爆，鲜见水下爆炸对沉箱重力式码头的毁伤效应的研究[16-18]。
本文通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应的试验研究，对水下爆炸下水中荷载和码头毁伤情况进行了采集分析，得到了水下爆炸下沉箱重力式码头的主要毁伤因素和毁伤模式，系统分析了毁伤机理，初步研究了爆距对毁伤效应的影响。为进一步开展理论和数值模拟研究提供了参考和依据。
1. 试验设计
1.1 试验模型
以现有突堤式沉箱码头为参考，以真实反映沉箱重力式码头结构特性和材料特性为原则，依据设计规范，兼顾施工可行性和试验条件制作模型。模型长298 cm、宽162 cm、高219 cm。以封仓板为界，码头下部为沉箱结构，高180 cm，由外墙、沉箱底板、封舱板、内隔墙及其所围成的6个长86 cm、宽65 cm仓格和仓格内的饱和砂构成。码头上部结构高39 cm，由面板、外墙、管沟底板、管沟内壁及其所围成的前、后管沟和中间仓格以及仓格内的干砂构成。为便于描述，对码头竖向外墙进行编号，将码头外墙长度方向等分成3份、宽度方向外墙等分成2份，从迎爆面左端起，按逆时针依次编为1#～10#号墙。模型三视图及其剖面图如图1所示，本文图中长度单位均采用厘米（cm），高程单位均采用米（m），后文不再赘述。
混凝土设计强度C30，钢筋采用HPB335型号，填料为普通河砂，主要部位件混凝土厚度及配筋情况如表1所示。共制作3个模型。
表 1 主要部位混凝土厚度及配筋情况Table 1. Concrete thickness and matching bar condition of main members位置 混凝土厚度/cm 配筋情况 保护层厚度/cm 仓格外墙 12 双层双向配筋，钢筋直径 1.2 cm，间距 18 cm 2 仓格内隔墙 8 双层双向配筋，钢筋直径 0.8 cm，间距 9 cm 1.5 沉箱底板 25 双层双向配筋，钢筋直径 2 cm，间距 18 cm 4 管沟底板 13 双层双向配筋，钢筋直径 0.6 cm，间距 15 cm 2 管沟外壁 12 双层双向配筋，钢筋直径 0.6 cm，间距 15 cm 1.5 面板 6 管沟上部面板单层双向配筋，其他部位不配筋 1.5 封仓板 6 不配筋 1.2 试验方案
试验场地为直径8 m、深8 m的钢筋混凝土空心圆柱爆坑，内衬2 cm厚钢板。试验水深1.8 m，模型四面临水，底部无人为约束。炸药承台与沉箱吊环焊接定位。均采用1 kg TNT当量的圆柱状PENT炸药，药包轴线垂直于迎爆面，正对迎爆面外墙中点。炸药位于水深0.9 m处，工况1、2、3中离迎爆面水平距离分别为接触、0.5 m、1 m。试验方案如表2所示，试验场地及炸药布设方案如图2所示。
表 2 试验方案Table 2. Experimental schemes工况 爆炸类型 模型 药包编号 炸药位置 1 接触爆炸 UW2 c1 贴于迎爆面中间仓格外墙中点，水深 0.9 m 处 2 非接触爆炸 UW1 c2 正对中间仓格外墙中点，爆距 0.5 m，水深 0.9 m 处 3 非接触爆炸 UW3 c3 正对中间仓格外墙中点，爆距 1.0 m，水深 0.9 m 处 试验中采用PCB138A10水下激波传感器对水下冲击波荷载进行测量，传感器量程69 MPa，谐振频率≥1 MHz，采集器采集频率为1 MHz。通过钢丝绳和重锤将传感器固定于远离模型侧面与迎爆面平齐处，测点与药包同深。试验前对传感器实际位置进行量测，布设方案和各工况中传感器实际位置如图3所示。此外，以爆坑内壁为基准，试验前后通过人工量距对模型定位，得到码头整体滑移。
2. 水中荷载分析
本试验为有限水域浅水爆炸，现无被广泛认可的冲击波荷载经验计算公式[19]，采用基于大量实验得到的无限水域中爆炸的冲击波荷载经验计算公式：
Pm=52.16(W1/3S)1.13 (1) I=5 760W0.63S0.891 (2) Rmax=3.3(WH+10.33)1/3 (3) 式中：W为炸药装量，kg；H为炸药距离水面的深度，m；S为荷载传播距离，m；Pm为冲击波峰值压力，MPa；I为冲击波比冲量，Pa·s；Rmax为气泡膨胀的最大半径，m。表3为水下荷载测量值和理论计算值比较，对比发现峰值压力偏差较小，试验设置准确、有效；但各冲击波相互作用使得荷载的衰减规律发生了较大的变化，故比冲量偏差较大。
表 3 爆炸冲击波荷载验证Table 3. Verification of explosion shock wave pressure工况 冲击波峰值压力/MPa 冲击波比冲量/(kPa·s) 测量值 计算值 偏差% 测量值 理论计算值 偏差% 1 13.57 13.08 3.75 1.17 1.94 −39.69 2 13.58 13.27 2.34 1.00 1.96 −48.98 3 14.16 13.88 2.02 1.69 2.03 −16.75 根据式（3）可知本文试验中气泡的理论最大半径为1.47 m，而实际爆深为0.9 m。受气泡膨胀的推动，自由面会向上运动形成水冢直至破碎，水质点获得大量动能，出现垂直喷射和径向飞溅[20]。起爆后各工况均观察到十几米高的水柱。此外，因水面被顶开，爆轰产物大量外泄，试验中未形成完整的气泡脉动过程，因此本文工况下水下爆炸荷载作用主要发生于冲击波传播阶段。
图4为各工况测点压力时程曲线，起算时间为爆炸冲击波到达测点时。不同工况下测点位置荷载变化规律相似，各工况中均出现了3次较为明显的超压作用。爆炸冲击波到达测点时出现第1个峰值压力，亦是最大峰值压力，随后水底反射波到达测点位置，第2个峰值压力出现。最后一个峰值压力是由爆炸冲击波在爆坑侧壁产生的反射波引起的。3次荷载对比如表4所示，爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波峰值压力、衰减时间和比冲量相近，均会对结构产生较大影响，是本文试验中水下爆炸冲击波传播阶段的主要毁伤因素。
表 4 冲击波荷载比较Table 4. Compasion of shock wave pressure工况 峰值压力/MPa 冲击波比冲量/(kPa·s) 爆炸冲击波 水底反射波 侧壁反射波 爆炸冲击波 水底反射波 侧壁反射波 1 13.57 6.05 7.83 1.17 0.16 0.37 2 13.58 5.73 9.58 1.00 0.15 0.36 3 14.16 8.68 6.13 1.69 0.26 0.63 3. 结构毁伤情况及分析
3.1 工况1结构毁伤模式及分析
接触爆炸下码头模型毁伤模式如图5所示。爆炸后结构向后整体滑移约35 cm。码头毁伤严重，迎爆面、侧面和顶面均出现较大毁伤。迎爆面外墙被炸穿，填料大量流出。背爆面出现多条较长裂缝，码头上部结构迎爆侧整体前倾，断裂为多块并被部分掀飞，底板无明显破坏现象。此外，在水下爆炸对迎爆面的冲切和通过仓格向上传播的冲击波共同作用下，仓格封仓板与竖向各墙连接处混凝土出现拉剪混合破坏，表现为在沉箱封仓板下缘出现横向通长裂缝，裂缝在迎爆面和侧面较宽，裂纹局部位置在墙的厚度方向贯穿。
图 5 水下接触爆炸码头模型毁伤模式Figure 5. The damage mode of the wharf under contact explosion in water3.1.1 面板
迎爆面管沟上部面板被掀飞，前后管沟之间面板断裂为多块，后管沟上部面板未出现较为明显的贯通裂缝。这是由于从结构内部传来的冲击波使面板向上弯曲，面板外部受拉严重，混凝土开裂，裂缝在厚度方向迅速发展贯穿，面板断裂为多块并继续向上运动导致的。而从内部传来的冲击波由迎爆侧到背爆侧逐渐衰减，对面板的作用效果逐渐减小，故后管沟上部面板的破坏较轻。此外，面板下侧与管沟侧壁连接位置的混凝土受拉断裂，面板下缘出现横向通长裂缝。
3.1.2 迎爆面
迎爆面外墙严重内凹，在沉箱底板上沿和封仓板下沿对应位置各有一条较深的横向贯通裂缝，裂缝由迎爆面延伸至背爆面。2#墙毁伤最严重，大部分混凝土破碎或剥落，外墙被炸穿，形成椭圆形爆坑，爆坑内窄外宽。爆坑边缘混凝土疏松。钢筋网架与爆坑周边混凝土向内弯曲，节点最大挠度为13 cm。爆坑边缘和内部残留的混凝土被大量径向、切向和环向裂缝分割成大小不等的碎块。
炸药爆炸后，高温高压的爆轰产物急剧膨胀，爆炸冲击波压力超过混凝土的动态抗压强度，2#墙大部分的外保护层混凝土被压碎，形成椭圆形粉碎区，粉碎区深度由起爆位置向四周逐渐变浅。钢筋网架受冲击波的应力作用突变，向内弯曲，在粉碎区外与存留的混凝土之间发生黏结破坏。粉碎区消耗了大部分的爆炸能量，冲击波迅速衰减为压缩应力波向结构内继续传播，此时混凝土虽不会直接被压碎，但引起的径向变形带来的切向拉伸将产生径向微裂纹，并在尖劈作用下向墙内发展形成较宽的径向裂缝。爆坑周边较为明显的环向通长裂缝是面板向内弯曲变形导致成的，环向裂缝在爆坑周边和墙体四周较密。直接作用于两侧墙体的爆炸冲击波荷载较小，毁伤模式以裂缝开展为主。1#和3#墙的毁伤模式相近，在靠近侧面位置，墙外表面存在大量的竖向通长裂缝；在靠近仓格底面和顶面位置存在大量横向通长裂缝。作用于迎爆面的荷载较大，内部纵向隔墙作用有限，迎爆面整体受弯内凹，在迎爆面边缘产生大量的环向裂缝。墙面其余位置未出现明显的通长裂缝。受外墙与填料接触面反射产生的拉伸波的作用，混凝土出现微裂缝，靠近墙体外表面混凝土骨料被拔出，迎爆面出现大量小坑洞。
此外，爆炸冲击波在水面反射产生的稀疏波与入射冲击波在近自由面区域叠加，产生气穴效应，使得结构出现气穴冲切损伤[14]。仓格封仓板与仓格墙体连接处即处于气穴作用区域，且该处混凝土抗拉和抗剪能力较弱，在气穴冲切的作用下易出现拉伸损伤甚至开裂。损伤沿封仓板下缘，从其迎爆面外墙交界处向结构内发展，形成薄弱面，随后在爆炸对迎爆面冲切作用下进一步发展，最终形成由迎爆面中间发展至背爆面的通长横向裂缝。
3.1.3 侧面及背爆面
侧面毁伤情况较迎爆面轻，毁伤主要出现在仓格封仓板以上部分，以4#和5#墙破坏为例说明。外墙下部毁伤以竖向通长裂纹为主。前管沟整体前倾，下部边缘混凝土被压碎。一条较宽的斜裂缝从面板下缘贯通至压碎区，在墙厚度方向裂缝上深下浅，局部贯穿。此外，斜裂缝在封仓板处发展出两条横向裂纹，局部混凝土破裂，钢筋露出。背爆面在侧面外墙和内隔墙对应位置有少量的竖向裂纹，这是由于纵向墙体受爆炸冲切作用向背爆面运动造成的。
3.1.4 内隔墙及封仓板
结构内部的毁伤主要分布于迎爆面中间仓格的隔墙和封仓板。封仓板破坏严重，多条横纵裂缝相互贯通，并在厚度方向贯穿。板与内隔墙的交界处混凝土断裂，钢筋拔出，板整体向上隆起。纵隔墙受压变形较大，与外墙接触位置混凝土被压碎。纵隔墙前部钢筋向外鼓曲，混凝土保护层碎裂，部分钢筋露出。隔墙向后弯曲变形，在迎爆面和背面均出现大量半环状裂缝，裂缝由下至上发展，背爆面出现竖向通长裂缝。背爆面裂缝开展较迎爆面严重。
3.2 工况2结构毁伤模式及分析
爆距0.5 m，水下非接触爆炸下码头模型毁伤模式如图6所示。爆炸后结构向后整体滑移约35 cm。码头迎爆面、侧面和顶面均有较大的毁伤，背爆面和底板无明显毁伤。迎爆面外墙被炸穿，中间仓格填料少量流出。
图 6 爆距0.5 m码头模型毁伤模式Figure 6. The damage mode of the wharf at the explosion distance of 0.5 m迎爆面沉箱底板上沿和封仓板对应位置下沿各有一条较深的横向贯通裂缝，裂缝由迎爆面延伸至背爆面。仓格封仓板与仓格墙体连接处出现横向通长裂缝，裂缝由迎爆面中间向背爆面发展，开裂程度逐渐变小。爆炸荷载以水下冲击波的形式作用于迎爆面，迎爆面整体内凹，2#墙凹陷程度最重，1#墙最轻，墙体边缘出现环状裂缝。2#墙体形成边长约20 cm的方形爆坑，爆坑中间墙体被炸穿。爆坑外围混凝土出现大范围冲切破裂，深度较浅，主要出现在外侧钢筋保护层，部分位置钢筋外露。2#墙内凹明显，钢筋网架亦明显弯曲，从爆坑到墙体边缘混凝土分布大量环状裂缝。环状裂缝与径向冲切作用和混凝土部分回弹引起的切向裂缝相互贯通，墙体外表面混凝土大范围龟裂。此外，由于冲击波在墙体与仓格填料交界面反射产生的强拉伸波传播至外表面时，部分靠外的混凝土骨料被附着动能拔出，使得整个迎爆面出现大量小坑洞。
模型其他部位毁伤模式和诱因与工况1基本相同，纵隔墙无明显毁伤。值得注意的是，工况2除迎爆面外，各部位毁伤程度较工况1基本一致。
3.3 工况3结构毁伤模式
爆距1 m，水下非接触爆炸下码头模型毁伤模式如图7所示。爆炸后结构向后整体滑移约30 cm。码头迎爆面、侧面和顶面出现明显毁伤，背爆面和底板无明显毁伤。
图 7 爆距1 m码头模型毁伤模式Figure 7. The damage mode of the wharf at the explosion distance of 1 m面板顶部出现两条明显的横向通长裂缝，其中远离迎爆面的一条在码头两侧与两侧墙面的斜裂缝相连贯通。面板与管沟侧壁连接位置出现横向通长裂缝，裂缝存在于迎爆面和侧面对应位置，未发展至背爆面，开裂程度从迎爆面到侧面逐渐减小。迎爆面毁伤以裂缝开展为主，未出现明显的混凝土破碎，在沉箱底板上沿和封仓板对应位置下沿各出现一条横向贯通裂缝，裂缝由迎爆面延伸至背爆面。迎爆面墙体内凹，2#墙凹陷程度最重，1#墙最轻，墙体边缘出现环状裂缝。爆炸冲击波到达结构前以球面波形式传播，2#墙体中部所受荷载较大，2#墙中间偏下一小块区域内凹明显，并出现较宽的局部环状裂缝。迎爆面出现大量混凝土粗骨料尺寸小坑洞。侧面毁伤主要出现在上部结构。前管沟整体前倾，管沟下侧出现一条斜裂缝，由面板下缘贯通至封仓板下沿，裂缝上深、宽，下浅、窄。侧面封仓板下部及背爆面除少量混凝土粗骨料抛出造成的小坑洞外无明显毁伤。剖开结构后发现，封仓板下表面有多条较浅的横纵裂缝出现，板与内隔墙的交界处出现较深裂缝，裂缝未贯穿板的厚度方向。横隔墙边缘有少量环状裂缝。纵隔墙无明显毁伤。
4. 水下爆炸码头结构毁伤模式及爆距的影响
沉箱码头内部结构复杂，介质种类较多，爆炸能量在结构内部传播情况复杂。在受到复杂荷载作用时，结构内部各构件之间相互影响，毁伤模式较为复杂。将可能出现的主要毁伤模式汇总于表5。
表 5 沉箱码头模型主要毁伤模式Table 5. Damage modes of caisson gravity wharf.毁伤部位 毁伤模式 整体 1.整体滑移；2.变形；3.混凝土外表面粗骨料拔出 面板 1.弯曲变形；2.裂缝开展；3.断裂抛出；4.与其他构件交界处拉剪断裂；5.钢筋混凝土粘结破坏 迎爆面外墙 1.爆炸成坑；2.混凝土冲切破裂；3混凝土破碎失效；4.弯曲破坏；5.钢筋网架挠曲；6.裂缝开展；7.钢筋混凝土粘结破坏 侧面外墙 1.混凝土局部破碎；2.裂缝开展 管沟 1.整体倾斜；2.上面板掀飞；3.裂缝开展 封仓板 1.整体和局部弯曲；2.裂缝开展；3.断裂；4.与其他构件交界处拉剪断裂；5.钢筋混凝土粘结破坏 仓格横隔墙 1.裂缝开展；2.受弯变形；3.整体位移 仓格纵隔墙 1.裂缝开展；2.混凝土破碎、剥落；3.钢筋网架鼓曲；4.整体位移 沉箱底板 无明显毁伤出现 爆距对整体滑移影响较小，对毁伤模式和毁伤程度影响较大。爆距较远时，毁伤以裂缝扩展为主，较少裂缝互相贯通，局部变形较小，结构完整性和承载能力受影响较小；爆距较近时，迎爆面、侧面和上部结构出现大面积变形、材料破坏失效，裂缝大量贯通、贯穿，结构完整性和承载能力严重下降。但当爆距过近时，爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收，迎爆面毁伤程度大幅增大，码头其他部位毁伤程度增幅放缓。
5. 结 论
本文通过开展水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应的试验研究，得到如下结论：
（1）试验中未形成完整的气泡脉动过程，荷载超压主要出现在冲击波传播初始阶段，爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素。
（2）水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂。从整体来看，主要毁伤模式为结构整体滑移和变形。从局部来看，除底板外其余部位均有较大毁伤，迎爆面出现局部的爆炸成坑和混凝土破碎失效，墙体内凹明显，裂缝大量扩展，爆距较近时，外墙被炸穿，仓格内填料流出。前管沟整体前倾，造成通长斜裂缝开展和局部混凝土破碎。面板和封仓板裂缝的开展和贯通较严重，爆距较近时，大量裂缝贯穿，板断裂为多块，出现整体和局部的明显隆起，面板甚至会被大面积掀飞。面板、封仓板与其他构件的连接处较为薄弱，易出现拉、剪或拉剪混合破坏。仓格隔墙变形和裂缝开展较轻，当爆距较近时，纵向内隔墙出现较为明显的偏压破坏。
（3）同等条件下，爆距越近码头毁伤越严重，但当爆距过近时，爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收，迎爆面毁伤程度大幅增大，码头其他部位毁伤程度增幅放缓。
（4）码头主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板。主要毁伤部位多为码头的主要船岸界面和工作平台，沉箱整体滑移和仓格填料外漏亦会直接影响船舶靠泊环境。水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤会直接影响码头的正常运转。
-
图 8 动态劈裂后的试件（冲击应变率为1.72～7.42 s−1）
Figure 8. Specimens after dynamic splitting at the strain rates of 1.72－7.42 s−1
图 9 由高速摄影和数字图像相关技术结合获得的试件DT0-3开裂过程和竖向拉应变场演化
Figure 9. Crack and vertical tensile strain field evolutionsin specimen DT0-3 by combining the high-speed videoand digital image correlation techniques
图 10 由高速摄影和数字图像相关技术结合获得的试件DT1-3开裂过程和竖向拉应变场演化
Figure 10. Crack and vertical tensile strain field evolutionsin specimen DT1-3 by combining the high-speed videoand digital image correlation techniques
图 11 DT0～DT3组试件劈裂应力-时间曲线
Figure 11. Splitting stress-time curves of specimen groups DT0－DT3
图 12 试件劈裂强度与钢纤维掺量的关系
Figure 12. Splitting strength of specimens varied with steel fibre content
图 13 钢纤维对试件劈裂强度的增强效应
Figure 13. Enhancement effect of steel fiber on splitting strength of specimens
图 14 UHPFRC的动态劈裂平均能耗
Figure 14. Average energy consumption of UHPFRC in dynamic splitting
图 15 经裁剪、降噪和过滤处理后的μXCT图像
Figure 15. The μXCT images after cropping, filtering, and segmentation
图 16 纤维和孔洞灰度阈值的初步确定
Figure 16. Initial determination of grey thresholds for pores and fibres
图 17 孔洞体积分数对灰度阈值的灵敏度分析
Figure 17. Sensitivity analysis of pore volume fraction to the grey threshold
图 19 试件DT0-3～DT3-3分割后孔洞3D图像
Figure 19. Segmented 3D images of pores for specimens DT0-3－DT3-3
图 20 试件DT1-3～DT3-3分割后的纤维
Figure 20. Segmented 3D images and skeleton of fibres for specimens DT1-3－DT3-3
图 21 试件DT1-3在xy平面裂缝宽度（切片 400）
Figure 21. Crack width on the xy plane of the specimen DT1-3 (slice 400)
图 25 试件DT1-3主裂缝及跨过裂缝的纤维
Figure 25. The main crack and crack-crossing fibres of specimen DT1-3
图 26 试件DT2-3主裂缝及跨过裂缝的纤维
Figure 26. The main crack and crack-crossing fibres of specimen DT2-3
图 27 试件DT3-3主裂缝及跨过裂缝的纤维
Figure 27. The main crack and crack-crossing fibres of specimen DT3-3
表 1 各组UHPFRC试件的配合比
Table 1. Mixing proportions of UHPFRC specimens for each test group
试件 钢纤维体积分数/% 配合比/(kg·m−3) 静力压缩 准静态劈裂 动态劈裂 水泥 硅灰 水 细砂 石英粉 减水剂 钢纤维 C0 ST0 DT0 0 1054 263 263 580 316 24 0 C1 ST1 DT1 1 1054 263 263 580 316 24 78 C2 ST2 DT2 2 1054 263 263 580 316 24 156 C3 ST3 DT3 3 1054 263 263 580 316 24 234 
下载: 导出CSV
表 2 静力压缩试验结果
Table 2. Results of static compression tests
试件 钢纤维体积分数/% 峰值应变/% 峰值应力/MPa 弹性模量/GPa SC0 0 0.325±0.039 106.82±5.03 39.68±1.88 SC1 1 0.327±0.030 118.82±4.18 40.31±1.34 SC2 2 0.351±0.064 138.43±6.51 44.12±1.19 SC3 3 0.359±0.016 155.12±0.40 45.14±1.26
下载: 导出CSV
表 3 静力劈裂试验结果
Table 3. Results of static split tests
试件 钢纤维体积分数/% 劈裂强度/MPa 试件 钢纤维体积分数/% 劈裂强度/MPa ST0 0 11.41±0.46 ST2 2 23.47±1.04 ST1 1 20.98±1.23 ST3 3 26.37±0.22
下载: 导出CSV
表 4 动态劈裂试验结果
Table 4. Results of dynamic split tests
试件 ˙σ/(GPa·s−1) ˙ε/s−1 T/μs σT/MPa σT,a/MPa δt DT0-1 66.80 1.72 228 15.23 16.62 ± 2.12 1.33 DT0-2 89.40 2.30 168 15.02 1.32 DT0-3 118.13 3.04 166 19.61 1.72 DT1-1 258.37 6.41 94 24.29 24.41± 0.11 1.16 DT1-2 191.70 4.76 128 24.54 1.17 DT1-3 217.20 5.39 112 24.33 1.16 DT2-1 186.67 4.23 134 25.01 25.65± 0.79 1.07 DT2-2 233.08 5.28 108 25.17 1.07 DT2-3 196.76 4.46 136 26.76 1.14 DT3-1 177.31 3.93 170 30.14 31.06 ±0.83 1.14 DT3-2 334.93 7.42 96 32.15 1.22 DT3-3 166.04 3.68 186 30.88 1.17
下载: 导出CSV
表 5 试件DT0-3～DT3-3孔洞分布统计
Table 5. Statistics of pore distribution of specimens DT0-3－DT3-3
试件 孔洞体积
分数/%孔洞数目 孔洞平均
体积/mm3平均等效
直径/mm孔洞数目（占比） de=56.7～400 μm de=>400～800 μm de=>800～1600 μm de>1600 μm DT0-3 1.71 38671 0.053 0.466 27089
(70.05%)10012
(25.89%)1439
(3.72%)131
(0.34%)DT1-3 1.58 21384 0.089 0.554 12859
(60.13%)7389
(34.55%)983
(4.60%)153
(0.72%)DT2-3 1.20 15508 0.093 0.563 8847
(57.05%)5736
(36.99%)810
(5.22%)115
(0.74%)DT3-3 0.98 10158 0.101 0.579 6404
(63.04%)3134
(30.85%)548
(5.39%)72
(0.71%)
下载: 导出CSV
表 6 裂缝及桥连纤维的统计分析
Table 6. Statistical analysis of cracks and bridged fibers
试件 桥连纤维
根数裂缝体积/
mm3裂缝表面积/
mm2相对表面积/
mm−1DT1-3 328 7118.97 10963.40 1.54 DT2-3 747 3234.73 6319.61 1.95 DT3-3 1 468 3081.81 6545.25 2.12
下载: 导出CSV
-
[1] RICHARD P, CHEYREZY M. Composition of reactive powder concretes [J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(7): 1501–1511. DOI: 10.1016/0008-8846(95)00144-2. [2] 徐海宾, 邓宗才, 陈春生, 等. 超高性能纤维混凝土梁抗剪性能试验研究 [J]. 土木工程学报, 2014, 47(12): 91–97. DOI: 10.15951/j.tmgcxb.2014.12.011.XU H B, DENG Z C, CHEN C S, et al. Experimental study on shear strength of ultra-high performance fiber reinforced concrete beams [J]. China Civil Engineering Journal, 2014, 47(12): 91–97. DOI: 10.15951/j.tmgcxb.2014.12.011. [3] MAGUREANU C, SOSA I, NEGRUTIU C, et al. Mechanical properties and durability of ultra-high-performance concrete [J]. Materials Journal, 2012, 109(2): 177–184. DOI: 10.14359/51683704. [4] YANG S L, MILLARD S G, SOUTSOS M N, et al. Influence of aggregate and curing regime on the mechanical properties of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) [J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(6): 2291–2298. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.11.012. [5] MILLARD S G, MOLYNEAUX T C K, BARNETT S J, et al. Dynamic enhancement of blast-resistant ultra high performance fibre-reinforced concrete under flexural and shear loading [J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37(4): 405–413. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.09.004. [6] HABEL K, VIVIANI M, DENARIÉ E, et al. Development of the mechanical properties of an ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) [J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(7): 1362–1370. DOI: 10.1016/j.cemconres.2006.03.009. [7] 葛涛, 潘越峰, 谭可可, 等. 活性粉末混凝土抗冲击性能研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(S1): 3553–3557. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6915.2007.z1.148.GE T, PAN Y F, TAN K K, et al. Study on resistance of reactive powder concrete to impact [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S1): 3553–3557. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6915.2007.z1.148. [8] 刘金涛. 基于纳米材料的活性粉末混凝土及其基本力学性能研究 [D]. 杭州: 浙江大学, 2016: 106–133.LIU J T. The mechanical properties of nanomaterials reinforced reactive powder concrete [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016: 106–133. [9] 赖建中, 孙伟, 戎志丹. 活性粉末混凝土在多次冲击荷载下的力学行为 [J]. 爆炸与冲击, 2008, 28(6): 532–538. DOI: 10.11883/1001-1455(2008)06-0532-07.LAI J Z, SUN W, RONG Z D. Dynamic mechanical behaviour of reactive powder concrete subjected to repeated impact [J]. Explosion and Shock Waves, 2008, 28(6): 532–538. DOI: 10.11883/1001-1455(2008)06-0532-07. [10] 杜修力, 窦国钦, 李亮, 等. 纤维高强混凝土的动态力学性能试验研究 [J]. 工程力学, 2011, 28(4): 138–144.DU X L, DOU G Q, LI L, et al. Experimental study on dynamic mechanical properties of fiber reinforced high strength concrete [J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(4): 138–144. [11] 谢磊, 李庆华, 徐世烺. 冲击荷载下免蒸养活性粉末混凝土分形特征研究 [J]. 工程力学, 2021, 38(3): 169–180. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0298.XIE L, LI Q H, XU S L. Experimental study on fractal characteristics of steam free reactive powder concrete under impact load [J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(3): 169–180. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0298. [12] 焦楚杰, 孙伟, 高培正. 钢纤维超高强混凝土动态力学性能 [J]. 工程力学, 2006, 23(8): 86–89, 85. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2006.08.016.JIAO C J, SUN W, GAO P Z. Dynamic mechanical properties of steel-fiber reinforced ultra high strength concrete [J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(8): 86–89, 85. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2006.08.016. [13] WANG Z L, LIU Y S, SHEN R F. Stress-strain relationship of steel fiber-reinforced concrete under dynamic compression [J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(5): 811–819. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2007.01.005. [14] 任兴涛, 周听清, 钟方平, 等. 钢纤维活性粉末混凝土的动态力学性能 [J]. 爆炸与冲击, 2011, 31(5): 540–547. DOI: 10.11883/1001-1455(2011)05-0540-08.REN X T, ZHOU T Q, ZHONG F P, et al. Dynamic mechanical behavior of steel-fiber reactive powder concrete [J]. Explosion and Shock Waves, 2011, 31(5): 540–547. DOI: 10.11883/1001-1455(2011)05-0540-08. [15] 卢芳云, 陈荣, 林玉亮, 等. 霍普金森杆实验技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2013: 151–167.LU F Y, CHEN R, LIN Y L, et al. Hopkinson bar techniques [M]. Beijing: Science Press, 2013: 151–167. [16] 焦楚杰, 蒋国平, 高乐. 钢纤维混凝土动态劈裂实验研究 [J]. 兵工学报, 2010, 31(4): 469–472.JIAO C J, JIANG G P, GAO L. Experimental research on the dynamic split properties of steel fiber reinforced concrete [J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(4): 469–472. [17] 巫绪涛, 代仁强, 陈德兴, 等. 钢纤维混凝土动态劈裂试验的能量耗散分析 [J]. 应用力学学报, 2009, 26(1): 151–154.WU X T, DAI R Q, CHEN D X, et al. Energy dissipation analysis on dynamic splitting-tensile test of steel fiber reinforced concrete [J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2009, 26(1): 151–154. [18] KHOSRAVANI M R, SILANI M, WEINBERG K. Fracture studies of ultra-high performance concrete using dynamic Brazilian tests [J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2018, 93: 302–310. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.10.001. [19] PARK J K, KIM S W, KIM D J. Matrix-strength-dependent strain-rate sensitivity of strain-hardening fiber-reinforced cementitious composites under tensile impact [J]. Composite Structures, 2017, 162: 313–324. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.12.022. [20] CADONI E, FORNI D. Experimental analysis of the UHPFRCs behavior under tension at high stress rate [J]. The European Physical Journal Special Topics, 2016, 225(2): 253–264. DOI: 10.1140/epjst/e2016-02639-2. [21] 黄政宇, 秦联伟, 肖岩, 等. 级配钢纤维活性粉末混凝土的动态拉伸性能的试验研究 [J]. 铁道科学与工程学报, 2007, 4(4): 34–40. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7029.2007.04.007.HUANG Z Y, QIN L W, XIAO Y, et al. Experimental investigation on the dynamic tensile behavior of graded steel-fiber RPC [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(4): 34–40. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7029.2007.04.007. [22] SU Y, LI J, WU C Q, et al. Effects of steel fibres on dynamic strength of UHPC [J]. Construction and Building Materials, 2016, 114: 708–718. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.007. [23] TRAN N T, KIM D J. Synergistic response of blending fibers in ultra-high-performance concrete under high rate tensile loads [J]. Cement and Concrete Composites, 2017, 78: 132–145. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.01.008. [24] TRAN N T, TRAN T K, KIM D J. High rate response of ultra-high-performance fiber-reinforced concretes under direct tension [J]. Cement and Concrete Research, 2015, 69: 72–87. DOI: 10.1016/j.cemconres.2014.12.008. [25] PYO S, EL-TAWIL S, NAAMAN A E. Direct tensile behavior of ultra high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) at high strain rates [J]. Cement and Concrete Research, 2016, 88: 144–156. DOI: 10.1016/j.cemconres.2016.07.003. [26] 苗艳春, 张玉, SELYUTINA N, 等. 基于X-CT的高温后再生保温混凝土损伤分析 [J]. 复合材料学报, 2022, 39(6): 2829–2843. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.007.MIAO Y C, ZHANG Y, SELYUTINA N, et al. Damage analysis of meso-scale recycled aggregate thermal insulation concrete based on X-CT after high temperature [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(6): 2829–2843. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.007. [27] 覃茜, 徐千军. 基于CT图像的混凝土初始缺陷分布规律研究 [J]. 水利学报, 2016, 47(7): 959–966. DOI: 10.13243/j.cnki.slxb.20150935.QIN X, XU Q J. Statistics of the initial defects within concrete based on CT image [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(7): 959–966. DOI: 10.13243/j.cnki.slxb.20150935. [28] NITKA M, TEJCHMAN J. A three-dimensional meso-scale approach to concrete fracture based on combined DEM with X-ray μCT images [J]. Cement and Concrete Research, 2018, 107: 11–29. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.02.006. [29] SUURONEN J P, KALLONEN A, EIK M, et al. Analysis of short fibres orientation in steel fibre-reinforced concrete (SFRC) by X-ray tomography [J]. Journal of Materials Science, 2013, 48(3): 1358–1367. DOI: 10.1007/s10853-012-6882-4. [30] BARNETT S J, LATASTE J F, PARRY T, et al. Assessment of fibre orientation in ultra high performance fibre reinforced concrete and its effect on flexural strength [J]. Materials and Structures, 2010, 43(7): 1009–1023. DOI: 10.1617/s11527-009-9562-3. [31] YANG Z J, QSYMAH A, PENG Y Z, et al. 4D characterisation of damage and fracture mechanisms of ultra high performance fibre reinforced concrete by in-situ micro X-Ray computed tomography tests [J]. Cement and Concrete Composites, 2020, 106: 103473. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2019.103473. [32] ZHANG X, YANG Z J, PANG M, et al. Ex-situ micro X-ray computed tomography tests and image-based simulation of UHPFRC beams under bending [J]. Cement and Concrete Composites, 2021, 123: 104216. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2021.104216. [33] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard test method for static modulus of elasticity and Poisson’s ratio of concrete in compression: ASTM C469/C469M—2010 [S]. Washington: ASTM, 2010. [34] 付应乾, 俞鑫炉, 董新龙, 等. 混凝土材料拉伸强度的应变率强化效应实验研究 [J]. 兵工学报, 2020, 41(1): 143–151. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.01.017.FU Y Q, YU X L, DONG X L, et al. An experimental investigation on the strain rate-dependent tensile strength of plain concretes [J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(1): 143–151. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.01.017. [35] 赵昕. 超高韧性水泥基复合材料动态力学性能试验与理论研究 [D]. 杭州: 浙江大学, 2018: 84–107. DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2018.000077.ZHAO X. Experimental and theoretical study on the dynamic properties of ultra high toughness cementitious composites [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018: 84–107. DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2018.000077. [36] 巫绪涛, 胡时胜, 陈德兴, 等. 钢纤维高强混凝土冲击压缩的试验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2005, 25(2): 125–131. DOI: 10.11883/1001-1455(2005)02-0125-07.WU X T, HU S S, CHEN D X, et al. Impact compression experiment of steel fiber reinforced high strength concrete [J]. Explosion and Shock Waves, 2005, 25(2): 125–131. DOI: 10.11883/1001-1455(2005)02-0125-07. [37] 李庆华, 赵昕, 徐世烺. 纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究 [J]. 工程力学, 2017, 34(2): 85–93. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0477.LI Q H, ZHAO X, XU S L. Impact compression properties of nano-SiO2 modified ultra high toughness cementitious composites using a split Hopkinson pressure bar [J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(2): 85–93. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0477. [38] 宋力, 胡时胜. SHPB数据处理中的二波法与三波法 [J]. 爆炸与冲击, 2005, 25(4): 368–373. DOI: 10.11883/1001-1455(2005)04-0368-06.SONG L, HU S S. Two-wave and three-wave method in SHPB data processing [J]. Explosion and Shock Waves, 2005, 25(4): 368–373. DOI: 10.11883/1001-1455(2005)04-0368-06. [39] TEDESCO J W, ROSS C A, KUENNEN S T. Experimental and numerical analysis of high strain rate splitting-tensile tests [J]. Materials Journal, 1993, 90(2): 162–169. DOI: 10.14359/4013. [40] CHEN X D, WU S X, ZHOU J K. Experimental study on dynamic tensile strength of cement mortar using split Hopkinson pressure bar technique [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2014, 26(6): 04014005. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000926. [41] PETERS W H, RANSON W F. Digital imaging techniques in experimental stress analysis [J]. Optical Engineering, 1982, 21(3): 213427. DOI: 10.1117/12.7972925. [42] 方志, 周传波. 活性粉末混凝土动静弹性模量试验研究 [J]. 铁道学报, 2018, 40(9): 128–134. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8360.2018.09.018.FANG Z, ZHOU C B. Experimental study on the elastic modulus of reactive powder concrete [J]. Journal of the China Railway Society, 2018, 40(9): 128–134. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8360.2018.09.018. [43] QIN C, ZHANG C H. Numerical study of dynamic behavior of concrete by meso-scale particle element modeling [J]. International Journal of Impact Engineering, 2011, 38(12): 1011–1021. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2011.07.004. [44] QSYMAH A, SHARMA R, YANG Z, et al. Micro X-ray computed tomography image-based two-scale homogenisation of ultra high performance fibre reinforced concrete [J]. Construction and Building Materials, 2017, 130: 230–240. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.09.020. [45] YANG J, CHEN B C, NUTI C. Influence of steel fiber on compressive properties of ultra-high performance fiber-reinforced concrete [J]. Construction and Building Materials, 2021, 302: 124104. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124104. [46] ZHONG C L, LIU M, ZHANG Y L, et al. Study on mechanical properties of hybrid polypropylene-steel fiber RPC and computational method of fiber content [J]. Materials, 2020, 13(10): 2243. DOI: 10.3390/ma13102243. 期刊类型引用(1)
1. 韩明海，刘闯，李鹏程，刘子涵，张先锋. 弹体高速侵彻花岗岩靶体的结构响应特性. 爆炸与冲击. 2025(01): 104-124 . 
本站查看其他类型引用(1)
-
下载:
计量
- 文章访问数: 283
- HTML全文浏览量: 108
- PDF下载量: 46
- 被引次数: 2