HFR—LWC抗沖爆炸性能研究進展

周子欣 郭志昆 陳萬祥 羅立勝

摘 要：混雜纖維輕骨料混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete，HFR-LWC）具有高強、輕質、環保等優點，在超高和大跨度結構中廣泛應用。本文綜述了國內外HFR-LWC的應用情況，從混雜效應、纖維長徑比、纖維體積摻量、纖維形狀及長度等方面總結了HFR-LWC靜動態力學性能的主要影響因素，介紹了HFR-LWC抗沖擊爆炸性能研究現狀，指出了混雜效應的研究大多停留在定性研究上，HFR-LWC的力學性能與最優長徑比、最優體積摻量之間的關系還不明確，HFR-LWC梁構件的抗爆試驗甚少，HFR-LWC的結構抗爆作用機理分析缺乏試驗依據等問題。

關鍵詞：爆炸 沖擊 混雜纖維 輕骨料混凝土 研究進展

中圖分類號：TU528.572 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0084-04

隨著現代土木工程結構朝高聳、大跨、重載的方向發展，以及建造各種新型特種結構需求的增加，普通混凝土比強度低的缺點日益明顯[1]。為了突破常規混凝土的比強度極限，工程界許多學者致力于改善混凝土性能，并開發了一種高強、超輕、環保的輕骨料混凝土[2]。輕骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LWC）是指用膠凝材料、輕粗細骨料或普通砂和水配制成的干表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土[3]。

為提高混凝土的延性，工程上通常摻入各種纖維材料。纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）即纖維增強混凝土，由于具有良好的抗裂性和韌性，在工程中被廣泛采用。目前對鋼纖維混凝土[4]、聚丙烯纖維混凝土[5]和玄武巖纖維混凝土[6]的研究較為深入，而混雜纖維混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete，HFRC）是指在混凝土中同時摻入兩種或者多種纖維，既能發揮高彈模纖維對強度的提高效果，又能發揮低彈模纖維的增韌作用，使各種纖維的優勢互補、性能超疊加而成的一種新型混凝土，目前已成為專家學者研究的熱點[7]。

本文概括了LWC的發展應用、HFR-LWC靜動態力學性能、HFR-LWC抗沖擊爆炸性能3個方面的研究進展，總結了現有研究存在的不足，展望了未來的發展趨勢。

1 LWC的發展及其應用

自從1918年美國的S.J.Hayde發明采用回轉窯生產黏土陶粒以來，人造輕骨料技術得到了很大的進步，從而出現并推動了LWC的研究與應用，其技術也一直處于世界領先地位。LWC具有輕質高強、保溫性好、耐火性能好、抗震性能好、耐久性好等優點，在高層建筑、大跨度橋梁、海洋平臺等工程中被廣泛采用。目前美國有800多座橋梁的修建都用到了LWC，如加州Benicia-Martinez大橋，使用的LC45級高強LWC，可滿足1000年到2000年一遇的抗震設防要求。20世紀80年代末90年代初，我國高強陶粒、高強度陶?；炷恋膯柺?，標志著我國LWC的研究、應用進入到了一個全新的飛速發展時期。

然而，隨著混凝土強度提高，其脆性趨于明顯，這在LWC中尤為突出。而利用各種纖維增強輕骨料混凝土的研究已有30多年的歷史，早在20世紀80年代初，英國Sheffield大學率先進行了鋼纖維LWC的抗沖擊性能試驗研究。近年來，國內外許多學者對纖維增強LWC的力學性能、抗裂性能、抗凍性能及耐腐蝕性能進行了一系列研究，取得了大量有價值的研究結論。在國外，2003年澳大利亞New South Wales大學的O. Kayali等人對聚丙烯纖維和鋼纖維增強LWC的力學性能進行了試驗研究。結果發現，當鋼纖維含量為1.7%時，高強LWC的抗拉強度和斷裂強度提高接近1倍，但對抗壓強度無明顯影響；當聚丙烯纖維含量為0.56%時，LWC的抗拉強度和斷裂強度分別提高90%和20%，而聚丙烯纖維含量對抗壓強度同樣無明顯影響。在國內，2002年香港大學的R. V. Balendran等人研究了鋼纖維對高強LWC強度和延性的影響，發現同樣類型和體積率的鋼纖維對高強LWC的劈裂抗拉強度和抗彎強度的改善要優于高強混凝土。綜上所述，國內外對纖維LWC在靜力荷載作用下的力學性能已開展了大量的研究，纖維對混凝土的抗壓強度影響不大，但能顯著提高混凝土的抗拉強度和彎曲韌性。

2 HFR-LWC的靜動態力學性能研究

2.1 混雜效應

國內外許多學者對HFRC進行了大量研究，并提出了“混雜效應”“混雜系數”等概念，對定量評價混雜纖維的增強效果具有重要指導意義。為探索混雜纖維對LWC的增韌效果，近年，來國內部分學者對其開展了研究。蔣思晨等人研究了碳纖維-聚丙烯纖維混雜配置的LWC的力學性能，發現碳纖維與聚丙烯纖維在不同摻量以及不同幾何尺寸下混雜，可以產生互補效應?；艨》嫉热诉x用鋼纖維、聚丙烯纖維及二元混雜纖維LWC，系統研究了其基本力學性能。結果發現，LWC力學性能受不同纖維種類、纖維摻量以及纖維混雜配合比的影響較為明顯，當鋼纖維體積率1.0%與聚丙烯纖維0.6kg/m3混雜時，纖維輕骨料混凝土的各項力學性能得到優化。趙鵬飛等人研究了鋼纖維-合成纖維混雜對LWC抗壓強度、抗折強度及抗滲性能的影響，結果表明，兩種纖維混雜后，LWC抗壓強度明顯降低，出現了“負混雜效應”。王璞等人自行設計了混凝土落錘彎曲沖擊試驗裝置，進行了不同幾何尺寸的碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊試驗研究，結果表明碳纖維混凝土在沖擊荷載下的正混雜效應較為明顯。

2.2 纖維長徑比

纖維的長徑比是影響HFRC抗沖擊性能的一個重要因素。表1給出了相關研究者進行抗沖擊試驗中的纖維參數。從表中可以看出，由于鋼纖維的直徑較大，鋼纖維的長徑比遠小于其他纖維，抗拉強度較小，彈模較大。玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維均屬于低彈模纖維，長徑比最高可達到1000左右。

華淵等人認為混雜纖維的長徑比對HFRC的抗壓強度無明顯影響，但對抗彎性能有很大的影響。試驗數據表明，C-P HFRC中碳纖維的合理長徑比為500～700，聚丙烯纖維的長徑比不宜超過1000；而聚乙烯醇纖維的長徑比則不宜超過1100。蔣思晨也得出了類似結論：碳纖維的最優長徑比為600，聚丙烯纖維的最優長徑比為900。周夢婷認為，鋼纖維的增強作用與長徑比成正相關，但長徑比過大時，纖維過于細長，易卷曲抱團，故長徑比一般控制在30～100。由此可見，HFRC的抗沖擊性能與最優長徑比之間的關系還有待進一步研究。

2.3 纖維體積摻量

纖維的體積摻量不僅影響到HFR-LWC構件的靜動態力學性能，也關乎工程應用的經濟效益。為得到經濟效益最優的纖維體積摻量，許多專家學者進行了一系列試驗研究。

李曉軍等人通過實驗研究發現，在C30～C90混凝土強度范圍內，為保證振搗和攪拌過程中鋼纖維分布的隨機性和均勻性，鋼纖維摻量宜在3%以下。王海濤等人研究了纖維摻量不同（體積率分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的鋼纖維LWC靜態力學性能和自由落錘抗沖擊性能。結果表明，摻入鋼纖維能較大程度提高LWC的拉壓比、彎曲韌性和抗沖擊性能，改善LWC的脆性，但對LWC的抗壓強度和彈性模量影響較小。牛建剛等人以素LC30輕骨料混凝土為基準，研究了塑鋼纖維摻量變化（5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3）對LWC靜態力學性能及抗沖擊性能的影響，試驗得出了與相關研究相同的結論。綜合試驗結果給出塑鋼纖維用于LWC的最優摻量為9kg/m3。張超等人將聚丙烯纖維和聚酯纖維摻入混凝土中，控制聚酯纖維的摻量和長度不變，通過沖擊試驗研究不同摻量和長度的聚丙烯纖維混凝土對雙摻纖維混凝土抗沖擊性能的影響，試驗結果表明：加入的聚丙烯纖維在0.6～1.2kg/m3存在一個最佳摻量。

由以上研究成果表明：隨著纖維摻量的提高，材料的抗沖擊性能并不會一直提高，而是存在一個最優摻量，使得抗沖擊性能最好。根據現有研究成果，鋼纖維摻量應控制在3%以內，但對于其他纖維的最優摻量研究還有待進一步深化。

2.4 纖維的形狀與長度

在大多數實際應用中，鋼纖維的形狀普遍采用的都是平直型或是鉤尾型。有相關研究指出在低應變率情況下尚能滿足結構要求，而對于一些重點防護工程來說，在高應變率的情況下，鋼纖維會發生與混凝土基體相脫離的情況，難以滿足設計要求。郝逸飛等人從鋼纖維在混凝土中的二維、三維黏結原理差異入手，分析了鋼纖維混凝土構件在高速沖擊下與基體的脫離機理，提出并設計了一種新型的螺旋鋼纖維材料（如圖1所示），并將其與鉤尾型鋼纖維進行對比，開展了分離式霍普金森桿（SHPB）和落錘試驗研究。結果表明，與傳統鋼纖維相比，螺旋鋼纖維能夠有效提供三維黏結力，可減少高應變率下鋼纖維與混凝土基體脫離的情況，證明螺旋鋼纖維比鉤尾鋼纖維提供更好地對混凝土基體的黏結加固作用，對增強混凝土延性、裂紋可控性及吸能耗能有著顯著優勢。

纖維長度對抗沖擊性能也有很大影響。王曉光等人進行了分別摻加4種不同纖維及無纖維高韌性肋形混凝土模板抗沖擊試驗。試驗結果表明，對于鋼纖維，由于長纖維與混凝土黏結面更大，受力更充分，約束混凝土基體范圍更廣，當試件受力出現裂縫時可以有效地限制纖維拔出的能力，從而需消耗更多的能量，故在一定范圍內的同種纖維，長鋼纖維比短鋼纖維抗沖擊能力強。而對于聚丙烯纖維和玄武巖纖維，其結論則有相反之處。張超等人指出，在聚丙烯纖維摻量一定的情況下，在試驗中選用的6mm、9mm、12mm的長度中，所加入的聚丙烯纖維長度越短，其抗沖擊性能越強。于泳等人采用直徑15μm的兩種長度（6mm、18mm）的玄武巖纖維，制成不同體積摻量（0%，0. 4%，0.6%和0.8%）的玄武巖纖維混凝土，采用7組共84個U形試件及自制的落錘沖擊裝置進行抗沖擊試驗，結果表明：玄武巖纖維能夠提高混凝土的抗沖擊性能，且在相同的玄武巖纖維摻量的條件下，6mm短纖維對混凝土的抗沖擊性能的改善作用優于18mm長纖維。

3 HFR-LWC抗沖擊爆炸性能研究

關于HFR-LWC構件的抗沖擊性能的研究尚處于初步階段。國外有關混凝土構件抗爆性能的試驗資料大多是保密的，很難得到公開發表的試驗數據，而國內許多科研機構受試驗條件制約，部分單位只進行了普通纖維混凝土的抗爆試驗。嚴少華等人采用大尺寸霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）試驗裝置，對聚丙烯短纖維增強LWC進行了沖擊試驗，得到了60～110s-1應變速率下的應力—應變曲線和破壞現象。王丹等人研究了塑鋼混雜纖維LWC在分離式SHPB裝置下的不同加載方式和不同應變率的動態力學性能，結果表明：塑鋼混雜纖維LWC的應變率效應非常明顯，動強度和峰值應變均與應變率成正相關。吳平安等人研究了高強高性能HFR-LWC的沖擊動力性能，進行了SHPB沖擊試驗，得到了其受一次、多次沖擊后的破壞現象和受力特點，分析了應變率對其力學性能的影響。結果表明，HFR-LWC對應變率效應的敏感程度比普通混凝土的要高，在高應變率時其動力力學性能得到明顯改善，適合將其用于抗爆炸、沖擊材料。廣西大學周夢婷等人對13組不同纖維摻量的混雜纖維混凝土板進行了爆炸荷載試驗，研究了纖維摻量變化對混凝土抗爆性能的影響，研究發現：相對于聚乙烯醇纖維，玄武巖纖維與鋼纖維混雜時可發揮出更明顯的抗爆性能優勢?？倕⒐こ瘫谒脑O計研究院胡金生等人針對3種分別加入鋼纖維、聚丙烯纖維和鋼筋的混凝土板進行了接觸爆炸試驗，分析得到了3種材料的抗爆性能系數。試驗結果表明，鋼纖維提高混凝土抗爆的能力最強，在聚丙烯纖維混凝土中加入鋼纖維或鋼絲網等高彈模材料，是一個提高其抗爆炸沖擊性能的可行措施。天津大學徐慎春等人通過6根圓形中空夾層鋼管超高性能鋼纖維混凝土柱爆炸破壞實驗，研究了折合距離、空心率和迎爆面形狀對其動態響應及損傷破壞的影響。

上述研究單位開展的纖維混凝土構件抗爆試驗，為HFR-LWC抗爆性能的深入研究打下了良好的基礎。目前對于HFRC的抗爆試驗研究較為豐富，但對于HFR-LWC抗爆試驗的研究資料甚少，而LWC材料組分和基本力學性能與普通混凝土有較大區別，LWC構件的抗爆變形及耗能機理尚不清楚，對于HFR-LWC梁構件抗爆性能試驗研究更是無人問津，無法檢驗現有理論分析和數值模擬結果的可靠性和準確性，因此通過試驗方法深入研究其動力性能對工程應用具有重要意義。

4 結語

綜上所述，目前國內外對LWC及HFR-LWC靜力力學性能的研究相當充分，少量文獻涉及其抗沖擊性能，但對HFR-LWC構件抗爆性能及其加固技術的研究成果甚少，存在許多關鍵科學問題有待系統深入研究：（1）“混雜效應”是混凝土材料在靜載作用下提出的，高頻爆炸荷載作用下混雜纖維的增強增韌機理尚不清楚，大多停留在定性研究上，利用“混雜系數”來定量描述HFR-LWC的研究還較少。存在最優長徑比和最優體積摻量，使得HFR-LWC的經濟效益最優，但其力學性能與最優長徑比、最優體積摻量之間的關系還需進一步探索研究。（2）目前HFR-LWC抗爆性能的研究主要集中在板、柱等構件方面，對于HFR-LWC梁構件抗爆性能試驗研究更是無人問津，無法檢驗現有理論分析和數值模擬結果的可靠性和準確性。（3）作為一種新型高性能混凝土材料，HFR-LWC結構抗爆作用機理分析缺乏試驗依據，HFR-LWC尚無相應的抗爆設計計算方法、加固依據和損傷破壞評估方法，工程上直接套用普通FRC構件設計計算理論會導致結果缺乏科學性與可信度。

參考文獻

[1] Kim HK， Hwang EA， Lee HK. Impacts of metakaolin on lightweight concrete by type of fine aggregate [J]. Construction and Building Materials，2012（36）：719-726.

[2] 王丹，郭志昆，邵飛，等.塑鋼混雜纖維輕骨料混凝土的動力學性能[J].硅酸鹽學報，2014，42（10）：1253-1259.

[3] 吳平安，劉宜平，高明亮，等.混雜纖維輕骨料混凝土沖擊性能試驗研究[J].兵工學報，2010，31（6）：776-781.

[4] 胡金生，楊秀敏，王安寶，等.纖維混凝土抗接觸爆炸性能研究[A].第十三屆全國結構工程學術會議”論文集（第Ⅲ冊）[C].2004：56-59.

[5] 徐慎春，劉中憲，吳成清.圓形中空夾層鋼管超高性能鋼纖維混凝土柱抗爆性能野外實驗與數值模擬[J].爆炸與沖擊，2017，37（4）：649-660.

[6] 郝逸飛，郝洪.螺旋鋼纖維混凝土抗沖擊試驗分析[J].天津大學學報：自然科學與工程技術版，2016，49（4）：355-360.

[7] 趙鵬飛，畢巧巍，楊趙鵬.混雜粗纖維輕骨料混凝土的力學性能及耐久性的試驗研究[J].硅酸鹽學報，2008， 27（4）：852-856.

[8] 王璞，黃真，周岱，等.碳纖維混雜纖維混凝土抗沖擊性能研究[J].振動與沖擊，2012，31（12）：14-18.

[9] 王曉光，周乾，張亞仿，等.不同種類纖維混凝土薄板抗沖擊性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2015（9）：60-63.

[10] 于泳，朱涵，朱學超，等.玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能研究[J].建筑結構學報，2015（S2）：354-358.