粗集料对超高性能水泥基材料动态性能的影响规律研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

超高性能水泥基材料研究现状

20世纪70年代末，由于减水剂和高活性掺合料的开发和应用，强度超过60MPa

的高强混凝土（High Strength Concrete，HSC）应运而生，这也是发展超高性能混凝土（Ultra high performance concrete，简称UHPC）的基础。相对于高强混凝土，除强度要求更高外，超高性能混凝土对孔洞与裂缝的宏观缺陷和抗渗透性提出了要求。

超高性能混凝土的制备机理，以减少最终水泥石的微观缺陷，降低孔隙率为主要目的。形成的理论体系包括细料致密法（Densified with Small Particles，DSP），Bachelor通过这一理论，利用高效减水剂和硅灰的组合作用，制得了强度达150~200MPa 的混凝土并已形成了以DENSIT为商标的商用混凝土制品；Birchall等通过真空搅拌减少引入的气体并使用高温蒸养等手段改善水泥的水化产物及其微观结构开发出的无宏观缺陷水泥（Micro Defect Free，MDF）；以及后来在前二者的理论基础之上，既使用高活性粉末，又进行热养护开发出的RPC，根据这一理论基础，目前已有了抗压强度最高可达800MPa的商业产品^[4]。

活性粉末混凝土

先以RPC的设计原理为例进行介绍。RPC的的设计原理包括，去除粗骨料增加了混凝土的均匀性，减少界面，阻止了力学、化学收缩、热应力等因素导致的裂纹的扩张；增强了浆体的机械性能使之模量接近骨料，进而消除了内部的机械异质性；限制砂的用量进一步增加了密实度减少了砂作为细骨料在浆体水化时收缩带来的孔隙率。

在具体设计配比上，RPC通过粉料的堆积模型和流变实验来确定需水量最小时粉料的比例，再根据最小需水量和预计含气量，利用相对密度来确定需水量。用料上，利用了硅灰的火山灰效应并通过使用石英砂和石英粉来补正硅与水泥的比例来改善水化产物的成分组成，最后添加体积比约为２％的钢纤维。在生产时，对新鲜混凝土施加压力，以促进气体和成浆所必须而非必要的部分水排除，同时减少化学收缩。最后，进行热养护以改善微观结构^[5]。

UHPC制备原理与工艺

基于RPC超高的材料性能，Larrard和Sedran在 1994 年提出了超高性能混凝土(UHPC)的概念^[6]。目前部分研究中仍沿用了活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete）的名称，大部分由于RPC已被注册商标而已改用UHPC^[7]。

超高性能水泥UHPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，以获得超高强度与高耐久性。

以RPC为例，其获得超高性能的主要途径有以下几种^[4]：

（1）剔除粗骨料，限制细骨料的最大粒径不大于300 ，提高了骨料的均匀性。（2）通过优化细骨料的级配，使其密布整个颗粒空间，增大了骨料的密实度。（3）掺入硅粉、粉煤灰等超细活性矿物掺合料，使其具有很好的微粉填充效应，并通过化学反应降低孔隙率，减小孔径，优化了内部孔结构。（4）在硬化过程中，通过加压和热养护，减少化学收缩，并将C-S-H转化成托贝莫来石，继而成为硬硅钙石，改善材料的微观结构。（5）通过添加短而细的钢纤维，改善材料延性。

UHPC的设计和生产工艺的改善研究目前尚在进行当中。近期的一些研究表明，具体的生产工艺也会对RPC的最终质量产生较大影响，例如Parameshwarn等指出，先混合胶材，加入大部分的水和减水剂，再加入砂等骨料，最后加入剩余水的方式比传统的先混合所有固体，加入一半水和减水剂，混匀后再加入剩余水和减水剂的方式能获得更好的工作性能，而控制制备的搅拌时间在15min，比起搅拌20min、25min、30min得到的产品孔隙率更低^[8]。另有一些研究改进了超高性能混凝土配比设计的理论细节，例如改进颗粒堆积模型以进一步优化粉料配比^[9]；进一步提升原料质量并细化热养护条件等^[10]。

UHPC在设计时往往还考虑了一些在其他混凝土中不常见的问题，例如由于高胶材用量而引起的自收缩问题。针对这一问题不仅已开发出了成熟的减缩剂产品，而且也有了使用其他工业废料例如铁尾矿替代水泥的研究^[11]。

为了改善力学性能，尤其是混凝土的脆性，UHPC普遍使用掺杂纤维进行增韧处理，这一类也被称为UHPFRC（Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete）。钢纤维在掺入 UHPC后，使得基体在载荷下的破坏形式由微裂纹的扩展改变成为了钢纤维—基体过渡界面的破坏，具体体现为纤维在破坏时被拉拔而出。即钢纤维通过阻止基体中的裂纹扩展增加了基体的韧性^[12]。

混凝土动态抗压性能研究现状

混凝土是一种应变率敏感材料。为研究混凝土在不同的应变率范围内的力学行为，可分别采取不同的实验装置进行实验。比如，电液伺服试验机能达到的应变率为10^-1s^-1，落锤撞击实验可达应变率为10s^-1，霍普金森压杆试验可达应变率在10²-10³s^-1范围内，而平板撞击试验可达应变率为10⁴s^-1。目前，混凝土类材料动态冲击压缩实验研究主要关注材料力学性能的应变率效应，同时也会关注材料的能量吸收能力、破坏模式、破坏过程以及裂纹发展相关的损伤演化等^[13]。

混凝土霍普金森压杆实验基本原理

SHPB实验技术基于一维弹性波在圆杆中的传播理论而发展起来，该方法实现了应变率效应和应力波效应的解耦，是目前研究材料在髙应变率下动态压缩力学性能的主要技术手段。冲击压缩实验采用直锥变截面式75 mm的SHPB装置。装置由发射杆、弹丸、入射杆、透射杆、缓冲杆、测速系统和数据采集系统组成。典型的SHPB实验装置示意图如图3.1所示。

图 3.1.1 SHPB实验装置示意图

子弹、入射杆和透射杆一般由高强度合金钢或者铝合金制成，子弹与压杆之间必须保证同轴。入射杆和透射杆与试件的接触面需保持非常平整，试件与杆端面之间应充分接触，以保证应力波传播过程中无散射发生^[14]。

在测试过程中，入射杆，材料试样，透射杆依次排放在同一中轴线上，子弹一般由高压气体作用，获得动能后与入射杆发生碰撞，碰撞产生的应力波在入射杆中传播，传播到试样处试样会受到挤压，由于入射杆的波阻抗与试样不同，入射波一部分返回入射杆，这部分应力波被称为反射波，其余的应力波透过试件传入透射杆，在透射杆中传播的这一部分应力波称为透射波。实验设备中，入射杆和透射杆的中间部位会粘贴电阻应变片、应变片测得的应力波信号通过放大器放大，这样入射应力波信号、反射应力波信号和透射应力波信号将会被记录到示波器中并显示^[15]。利用专业SHPB软件对波形进行处理得出试件的动态应力应变曲线。

试验中主要涉及三个波形，如图3.1.2所示，子弹打击输入杆产生的入射压缩脉冲（）以及由于试件的低阻抗在输入杆中产生的反射拉伸脉冲（）和输出杆中产生的透射脉冲（）。

图 3.1.2应力波在SHPB试件中传播示意图

SHPB试验结果的有效性基于两个假定：（１）杆中一维应力波假定；（２）试件中应力和应变沿其长度均匀分布假定。根据一维应力波传播理论，在SHPB试验中试件的应力、应变和应变率可相应的表示为：

（1.1）

（1.2）

（1.3）

其中，E，A和C₀分别是压杆的弹性模量、横截面积和弹性波波速；Ａ_S、和Ｌ分别是试件的横截面积和长度；和分别为测到的透射应变和反射应变。式(1.1)、(1.2)、(1.3)表明，SHPB试验测得信号中，透射波、反射波和反射波与时间轴所围图形的面积分别表征了试件中应力、应变率和应变随时间的变化^[13]。因此，可以通过实验测得的、和求出应变率和平均应力。

SHPB实验存在的问题及解决

应用霍普金森杆开展动态冲击试验必须满足一维应力传播和试件应力均匀性两个前提，但在实际操作过程中，存在许多因素会影响冲击试验的准确性和可靠性，包括弥散效应、

端面摩擦效应、惯性效应以及试件端面不平整等。

（1）弥散效应

相对于金属材料，使用霍普金森杆研究混凝土材料时，为保证实验数据的有效性，试件和压杆的尺寸相对较大。当压杆受到撞击时，杆件质点的横向惯性运动将引起波形弥散，使输入脉冲产生高频振荡，随着杆径的增大或波长的减小，波形的振荡会越加的明显，从而导致试验结果的失真。

为克服应力波在压杆中传播的弥散效应，可在试验装置的撞击杆和入射杆之间设置波形整形器，其中整形器的尺寸根据撞击杆的速度调整，以满足冲击实验的需要^[16]，整形器的材料可选择橡胶、铝、紫铜和黄铜等^[17]。对于 UHPC，Mostafa 通过冲击试验表明^[18]，铜相对于铝更适合制作波形整形器。

（2）端面摩擦效应

在应力脉冲作用下，由于压杆与试件的界面横向运动存在差异，使试验过程中界面存在摩擦，导致试件端部沿径向的变形受到约束，从而影响试件变形的均匀性，称为端面摩擦效应^[14]。

通过对SHPB实验的数值模拟，Li和Meng^[19]发现对于 L/D=0.5 的柱形试件，摩擦系数＜0.1时端面摩擦影响可以忽略，而如果gt;0.2，则端面摩擦会有较大影响。Hao等^[20]对花岗岩、石灰岩和凝灰岩的数值模拟研究发现，在给定的摩擦系数下，当 L/D＞2 时，端面摩擦影响可以忽略；而当 L/D＜1时，端面摩擦影响很大，必须予以考虑。卢玉斌等[19]基于动摩擦试验结果，建立了端面动摩擦模型以描述端面动摩擦系数随SHPB试样与压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。

王晓燕等基于试验研究表明材料泊松比、端面摩擦系数、试样长径比、轴向应变是冲击实验中影响端面摩擦效应的四个主要因素，通过端面涂抹凡士林等进行润滑、采用较大的长径比试件可减少摩擦效应对实验结果的影响^[21]。

（3）惯性效应

在霍普金森杆实验中，试件受到高速冲击时，由泊松效应以及塑性流动引起的径向惯性效应不可避免，而径向惯性效应的存在会产生较大的围压，并对混凝土动态强度产生影响。

针对径向惯性效应，张宝平^[22]和陶俊林^[23]等通过理论分析和数值模拟提出了不同的径向惯性效应修正公式，结果表明，减少试件尺寸，保持恒定的加载应变率可以减少径向惯性效应的影响。

（4）试件端面不平整

作为一种脆性材料，混凝土试件普遍存在端面不平整的问题，导致杆件和试件之间非平面接触，造成接触面应力不均匀，从而使实验结果存在较大误差。为消除试件端面不平整对实验结果的影响，可在试件与入射杆之间设置直径和材质与霍普金森杆相同的圆柱形万向头，中间用圆弧面隔断形成一个活动铰接^[24]。当入射杆撞击时，万向头的接触面受到挤压而转动，从而使杆件与试件之间形成平面接触。针对试验过程中万向头可能由于撞击而被摔破，可在万向头上加装一个轻质塑料套筒^[25]。

应变率与动态力学性能

水泥基材料在动态荷载作用下的力学性能与静态荷载作用下表现出明显的不同，且在不同的应变率作用下，材料力学性能也存在明显的差异。为表征应变率对超高性能混凝土动态强度的影响，将材料的动态强度与准静态强度的比值定义为动态增强因子( Dynamic Increase Factor，DIF) ，以此来描述材料在动态加载应变率变化时强度的改变^[6]。

目前，针对 UHPC 的动态力学研究主要以中等应变率和高应变率为主。研究表明，随着应变率的增加，UHPC 动态力学性能指标如峰值压应变、峰值压应力、极值压应变、弹性模量和能量耗散能力等都不断提高^[26; ^27]，表明材料动态增韧效果明显。但在相同的纤维掺量下，UHPC 残余应变随应变率增加而提高的幅度大于峰值抗压强度和峰值应变的提高幅度^[28]。进一步的研究也发现，应变率对动态抗压强度的提高，存在一个阈值，当应变率低于阈值时，动态抗压强度低于准静态抗压强度，DIF值小于1，但超过阈值之后动态抗压强度增长非常明显，DIF 值不断增加^[29]。Jiao等^[30]通过对准静态抗压强度分别为158 MPa，209.5 MPa 和222.9 MPa( 钢纤维含量依次为0%，3%和4%)的UHPC开展冲击压缩实验，指出UHPC应变率阈值为50s^-1左右。Tai^[31]进一步指出 UHPC应变率的阈值随准静态抗压强度的提高而明显增大。

混凝土试件SHPB实验的波形特征分析^[32]

基于不同的实验冲击速度，混凝土试件的最终破坏形态不同，根据破坏严重程度可简单区别为轻微龟裂、破裂、破碎及粉碎，由此得到的波形特征曲线显著不同，其 曲线在卸载阶段也将表现不同特点。

比较不同应变率下的透射波形，可以发现除较低应变率（试件轻微龟裂，可认为基本完整）外，其他试验的反射波的“双峰”现象非常明显。随着撞击速度增加（即应变率增加），第２峰将显著高于第１峰，且第 １ 峰与双峰之间的峰谷绝对值差距缩小。

图 3.4反射波形示意图

反射波“双峰”现象的产生源于混凝土试件受到严重损伤，材料性能发生显著变化，导致其阻抗与杆系严重不匹配，应力脉冲无法或仅少量可通过试件透射到透射杆上，而其大部分只能反射回入射杆，从而形成反射波的第２峰。可以推知，若混凝土试件破坏越严重，入射应力脉冲将更大部分反射回入射杆，也即反射波的第２峰将显著高于第１峰，直至其幅值接近入射波峰值甚至形成平台。可以认为，反射波“双峰”现象是混凝土、岩石类脆性材料 SHPB实验的特有现象。

在低速加载下，试件最终形态基本保持完整或破裂形成的试件端部锥块较大，试件卸载时将有一定的膨胀恢复，从而反向压缩入射杆产生反射波中的压缩波段，对应的 曲线会出现近似线弹性卸载。随着撞击速度的增加，反射波中的压缩波段及曲线中的线性卸载段将消失低速加载时，混凝土试件表现较好的可持续塑性承载能力，高速加载时，其可持续承载能力相当有限。另外，裂纹生长和快速扩展均滞后于峰值应力的出现，混凝土试件在损伤破坏阶段仍具有一定的承载能力。

2.5 钢纤维对超高性能水泥基材料动态性能影响^[6]

钢纤维的掺入不仅能有效提高UHPC的抗裂性、延展性、耐久性和耐磨性^[33]，且对UHPC抗冲击性能的增强具有积极的作用，因此UHPC又可称之为超高性能纤维增强混凝土 ( Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete，UHPFRC)。

Rong等^[27]在中等应变率下使用SHPB装置对钢纤维含量分别为0%、3%和4%的UHPC试件开展了动态压缩试验，发现UHPC的峰值应力、峰值应变和耗能能力都随着钢纤维体积掺量的增加而增大，且UHPC中随机乱向分布的纤维组成的网状结构，能有效的发挥阻裂和增韧的作用。鞠扬等^[28]对钢纤维掺量分别为0%，1.0%，1.5%，2.0%和3.0%的UHPC开展了冲击压缩试验研究，指出钢纤维掺量对UHPC峰值抗压强度和峰值应变具有不同的影响，其中峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大，而峰值抗压强度随钢纤维掺量增加表现出现增大后减少的趋势，表明单纯提高钢纤维体积掺量并不是提高UHPC动态强度的最佳措施。

为探讨钢纤维对应变率的敏感性，图4分别给出了王勇华等^[34; ^35]冲击试验在静态抗压强度为 101.44 MPa、119.62 MPa和147.64 MPa(钢纤维掺量依次为0%，1.5%和2% )时以及Jiao等^[30]冲击试验在静态抗压强度为158 MPa，209.5 MPa和 222.9 MPa(钢纤维掺量依次为 0%，3% 和4% ) 时应变率与DIF值之间关系。

图 4不同静态抗压强度下应变率与DIF值之间关系（a）王勇华冲击试验;（b）焦楚杰冲击试验

从图中可以看出，在不同的应变率下，UHPC的DIF值随静态抗压强度的增加而降低，且静态抗压强度越高降低幅度越大，但在静态抗压强度接近150 MPa后，DIF值趋于稳定。 这是由于钢纤维相对于混凝土材料为一种应变率不敏感材料，因此钢纤维的掺入虽能提高材料的静态抗压强度，但反而降低了UHPC的DIF值; 当静态抗压强度达到一定程度以后，UHPC表现出明显的脆性，在高速冲击时，UHPC会在短时间内碎裂成许多小块，钢纤维在发挥对裂纹的桥接作用之前已经从基体中剥离，因此DIF值趋于稳定^[6]。

钢纤维形状对UHPC抗压冲击性能也有很重要的影响。黄育等^[36]通过冲击试验分析了四种不同形状钢纤维(端钩形、铣削、细直形、波纹形）对UHPC动力性能的影响，结果表明细直形和端钩形钢纤维对UHPC抗冲击性能的改善明显，而铣削和波纹形钢纤维UHPC抗冲击性能相对较差。Su等^[37]探讨了不同长径比和纤维掺量下细直钢纤维和扭曲钢纤维 UHPC的动力性能，结果表明UHPC 中掺入细直钢纤维相对于扭曲钢纤维具有更优的动态压缩性能。张文华^[38]进一步指出细直钢纤维的动态抗压增强效果优于哑铃状钢纤维和端钩型钢纤维。

2.6粗集料对超高性能水泥基材料动态性能的影响

参考超高性能水泥基材料的制备原理，粗集料的加入可能会破坏复合材料的均质性，降低材料的密实度。但加入适当粒径和掺量的粗骨料实则可以减少胶凝材料的用量，提高性价比。

根据戎志丹等人的研究^[3]，最大粒径为10 mm的粗集料与基体间有很强的界面粘结作用，复合材料的薄弱界面基本被消除，材料的整体结构仍保持相当的均匀性。同时．高强粗集料在此水泥基复合材料中能担当起骨架的作用及其自身功能的发挥。因此，与不加粗集料的情况相比．复合材料抵抗高速冲击的能力不仅没有下降，而且与原有的水平相近甚至有所提高．而且粗集料的添加大大降低了水泥及超细粉末的用量，使UHPSFRCC材料的性价比得到了显著的提高。

其研究还指出，含粗集料UHPSFRCC与无粗集料的相比，同样具有大量的10 nm左右的无害孔．同时也存在20左右的大孔。正是由于大孔的存在，形成了缓冲地带，一定程度上缓解了试件承受的高速冲击带来的能量。使得材料整体体现出很高的动态性能^[3]。

而Wu等^[39]对采用自然砂替代石英砂，并掺入金刚砂或玄武岩作为粗骨料的UHPC开展了射弹实验，结果表明UHPC中采用粗骨料能减少子弹穿透深度，通过增大粗骨料的硬度和尺寸能减少冲击坑的面积和体积，且金刚砂UHPC动力性能优于玄武岩UHPC。Zhang等^[40]研究了粗骨料种类(玄武岩、花岗岩和铁矿石)对UHPC抗冲击压缩性能的影响。结果表明，掺入玄武岩的PC动态抗压应力峰值明显大于掺入花岗岩或铁矿石的UHPC，且随着粗骨料最大粒径的增大，UHPC的动态抗压强度逐渐减小。

小结

随着社会经济的发展，工程结构朝着更高、更长、更深的方向发展，对其使用寿命和对各种恶劣使用环境的抵抗性也提出了更高的要求。这就产生了发展超高性能水泥基材料的极大需求。而随着新型武器的不断出现，对工程结构的防护能力也提出了严峻挑战。制备具有良好动态力学性能的混凝土刻不容缓。

超高性能混凝土在高强混凝土具有高强度的基础上进一步提出了对孔洞与裂缝的宏观缺陷和抗渗透性的要求。超高性能混凝土可以分为两类，一种是活性粉末混凝土，不含粗骨料，另一种是含粗骨料的超高性能混凝土。RPC工艺可视作UHPC（CA）发展的基础。RPC设计配比原则在于提高材料的匀质性，一般去除粗骨料，加入矿物活性掺合料，在成型过程中加压加热养护。对于混凝土的脆性，UHPC通常采用掺入钢纤维来增韧。

对于混凝土的动态压缩性能，不同的应变率下有不同的测量方法。霍普金森压杆是目前研究材料在髙应变率下动态压缩力学性能的主要技术手段，试验可达应变率在10²-10³s^-1范围内。应用霍普金森杆开展动态冲击试验必须满足一维应力传播和试件应力均匀性前提，但在实际操作过程中，弥散效应、端面摩擦效应、惯性效应以及试件端面不平整等许多因素会影响冲击试验的准确性和可靠性。对于弥散效应可采用撞击速度相应整形器；通过端面涂抹凡士林等进行润滑、采用较大的长径比试件可减少摩擦效应对实验结果的影响；减少试件尺寸，保持恒定的加载应变率可以减少径向惯性效应的影响。

为了描述材料在动态加载应变率变化时强度的改变，定义材料的动态强度与准静态强度的比值为动态增强因子(DIF)。UHPC材料具有明显的动态增韧效果，且应变率对动态力学性能的提高存在一个阈值。当应变率低于阈值时，动态抗压强度低于准静态抗压强度，DIF值小于1，但超过阈值之后动态抗压强度增长非常明显，DIF值不断增加。UHPC应变率的阈值随准静态抗压强度的提高而明显增大。

不同的实验冲击速度，混凝土试件的最终破坏形态不同。其破坏严重程度可简单区别为轻微龟裂、破裂、破碎及粉碎，与此相应得到的波形特征曲线显著不同。反射波“双峰”现象是混凝土、岩石类脆性材料 SHPB实验的特有现象。源于混凝土试件受到严重损伤，应力脉冲无法或仅少量可通过试件透射到透射杆上，而其大部分只能反射回入射杆，从而形成反射波的第２峰。混凝土试件破坏越严重，反射波的第２峰将越显著高于第１峰。

钢纤维的加入可以有效提高UHPC的抗裂性和抗冲击性能。在0%-4%钢纤维掺量范围内，混凝土峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大，但单纯提高钢纤维体积掺量并不是提高UHPC动态强度的最佳措施。钢纤维相对于混凝土材料为一种应变率不敏感材料，钢纤维的掺入虽能提高材料的静态抗压强度，但反而降低了UHPC的DIF值。钢纤维的形状对UHPC抗压冲击性能也有很重要的影响。细直形钢纤维会比端钩形、铣削、波纹形、哑铃形钢纤维具有更优的动态压缩性能。

通过在UHPC中加入适当最大粒径的粗骨料，可以增加材料中大孔，形成缓冲，提高材料抗冲击性能，减少子弹穿透深度，并且保持相对的均匀性。同时减少了胶凝材料的用量，提高性价比。当粗骨料最大粒径过大时，UHPC的动态抗压强度会逐渐减小。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
2. 研究方案
3. 通过掺加高强粗集料、大掺量矿物掺合料和合适高效减水剂，在极低水胶比条件下制备出超高性能水泥基复合材料，优化胶凝材料(水泥 粉煤灰 硅灰 偏高岭土)中各组分的比例，掺加不同尺度、不同形状的钢纤维，系统分析超高性能水泥基复合材料的静态力学行为；
4. 通过用天然砂取代磨细石英砂，掺入高强粗集料以降低材料制备成本；
5. 对各系列超高性能水泥基复合材料进行应变率在100/s范围内的一次高速冲击、多次高速冲击压缩试验，系统研究不同应变率下的应力－应变全曲线，获得冲击压缩强度，系统分析其损伤累积规律。
6. 技术路线

1. 动态力学性能分析

实验设备：分离式霍普金森压杆（SHPB）

分析软件：DHHP-02动态信号采集分析系统

1. 进度安排：