張紀剛，楊 冉

(青島理工大學土木工程學院，青島 266033)

0 引 言

混凝土材料作為工程應(yīng)用中的主要材料之一，因其材料性能的不足，如抗拉強度低、脆性大、易開裂、延展性差，以及對沖擊、開裂、疲勞的抵抗能力差[1-2]等缺點，在一定程度上制約著各類工程的建設(shè)。某些傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)，如道路路面、橋梁、大壩等，除了需要承受靜荷載之外，還需承受一定的沖擊荷載。以軍事防護為主的工程領(lǐng)域更是需要著重考慮混凝土材料的抗沖擊、抗爆炸等極端荷載的性能。

隨著復(fù)合材料的迅猛發(fā)展，纖維增強混凝土(Fiber Reinforced Concrete,FRC，簡稱纖維混凝土)應(yīng)運而生，且因其具有顯著改善混凝土的脆性[3]、提高混凝土的抗裂性能[4]、阻止裂紋擴展[5]、抗沖擊能力[6]更加優(yōu)異等優(yōu)勢，獲得了極大的關(guān)注，為現(xiàn)代防護工程的建設(shè)提供了新型復(fù)合材料。

硅酸鹽水泥基體中摻入石子、砂等材料構(gòu)成混凝土，在混凝土的基礎(chǔ)上均勻摻入一定量的各種纖維，就組成了纖維混凝土材料。纖維混凝土主要依據(jù)纖維類型來進行劃分。

在纖維混凝土內(nèi)，對纖維進行編織和分層等加工，再將此纖維織物與硅酸鹽混凝土材料相結(jié)合，可以形成新型纖維混凝土材料——纖維織物增強混凝土。不同種類的纖維加入混凝土，會對混凝土的力學性能產(chǎn)生不同作用，為了綜合各類纖維材料的優(yōu)缺點，優(yōu)化纖維混凝土的力學性能，學者們還提出并研究了各種纖維混合加強的混凝土材料——混雜纖維混凝土。

迄今為止，不同種類的纖維混凝土和混雜纖維混凝土的力學性能研究已經(jīng)取得不少成果。從研究深度和廣度上來說，研究較多的纖維混凝土有鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土、碳纖維混凝土和玻璃纖維混凝土，以及各種混雜纖維混凝土等。同時，對各種高強混凝土和輕骨料混凝土等新混凝土基體的纖維混凝土的研究也頗多。

許多研究人員通過開展纖維混凝土的一系列試驗，如坍落度試驗[7]、抗壓試驗、抗拉試驗、抗折試驗[8-10]、抗?jié)B性試驗[11]、抗碳化試驗[12]和抗鹽凍融試驗[13]等，探究了纖維的加入對混凝土坍落度、抗壓強度、抗折強度、抗鹽凍性能、劈裂抗拉強度等的影響，對比分析了纖維混凝土與普通混凝土的基本力學性能，并試圖找到各類纖維在混凝土中的最佳摻量；通過進行高溫下纖維混凝土試驗，也研究了溫度變化情況下，不同種類纖維對混凝土力學性能的影響[14-15]；通過對混雜纖維混凝土的研究，得到各種混雜方式對混凝土力學性能的影響[16-17]；同時，國內(nèi)外研究人員對混雜纖維輕質(zhì)混凝土的力學性能、耐久性和功能特性研究也日漸增多[18-21]。

本文側(cè)重纖維混凝土(重點是鋼纖維混凝土)的抗沖擊和抗爆性能研究，關(guān)注纖維混凝土在沖擊和爆炸荷載下的動力學行為研究試驗，總結(jié)了國內(nèi)外學者和專家對各類纖維混凝土材料的動力學行為試驗發(fā)展和研究狀況，介紹了纖維混凝土的動力學性能試驗，望能為之后各界對纖維混凝土的發(fā)展和應(yīng)用提供一定幫助。

在爆炸和沖擊載荷作用下，材料表現(xiàn)出的力學性能明顯區(qū)別于靜態(tài)和準靜態(tài)情況[22]。纖維混凝土在爆炸和沖擊等高能量密度條件下的瞬態(tài)動力學研究，包括理論研究和試驗研究。由于從基本的理論原理來預(yù)估材料本構(gòu)方程非常困難，因而在大多數(shù)情況下，必須依據(jù)經(jīng)驗來確定其合適的公式和適當?shù)膮?shù)，特別是非線性的情況[23]。由于纖維混凝土材料的復(fù)雜性，為了研究纖維混凝土的動力學性能，采取各種類型的材料動力學試驗尤為重要，同時纖維混凝土在防護工程領(lǐng)域的應(yīng)用，也要求對其抗沖擊、抗爆、抗侵徹性能進行研究。

1 纖維混凝土的抗沖擊試驗研究

材料動力學試驗的類型有低應(yīng)變率、中應(yīng)變率、高應(yīng)變率、超高應(yīng)變率和材料高壓物理狀態(tài)方程試驗[23]：低應(yīng)變率試驗的設(shè)備有普通材料萬能試驗機；中應(yīng)變率試驗的設(shè)備有高速材料試驗機、落錘式材料試驗機、氣動式和機械式的凸輪式材料試驗機；高應(yīng)變率試驗的設(shè)備有膨脹環(huán)、Hopkinson裝置；超高應(yīng)變率試驗的設(shè)備有微型Hopkinson試驗裝置、一維應(yīng)變試驗裝置和壓剪試驗裝置。

1978年，Hibbert和Hannant[24]設(shè)計了擺錘式纖維混凝土沖擊試驗機。1981年，Schrader[25]提出了一種簡便實用的抗沖擊性能測試方法。1982年，Swamy 和Jojagha[26]開發(fā)了測定鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的試驗方法，作者通過此方法有效評價了素混凝土和纖維混凝土的抗沖擊性能，并區(qū)分了纖維形狀和纖維幾何結(jié)構(gòu)對纖維混凝土抗沖擊性能的影響差異。1988年，美國混凝土協(xié)會[27]提出了新的纖維混凝土沖擊強度和彎曲韌性試驗方法。自此之后，眾多科研人員對纖維混凝土抗沖擊試驗不斷進行完善和改進，并開展了纖維混凝土試塊或纖維混凝土構(gòu)件的一系列抗沖擊試驗。

2009年，Mohammadi等[28]對鋼纖維體積參數(shù)和長徑比不同的108根100 mm×100 mm×500 mm鋼纖維混凝土梁試件進行了落錘沖擊試驗研究，記錄了裂紋產(chǎn)生和失效時的沖擊能量，得到了沖擊荷載作用下性能最優(yōu)時鋼纖維的體積分數(shù)和纖維長度。得到鋼纖維混凝土抗沖擊性能最優(yōu)時的鋼纖維含量和纖維長度，為鋼纖維混凝土動力學性能的進一步研究提供了基礎(chǔ)。

2011年，Wang等[29]用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)對圓柱形鋼纖維混凝土進行動態(tài)沖擊試驗，結(jié)果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的破壞模式由脆性向韌性轉(zhuǎn)變。該試驗關(guān)注了纖維混凝土的破壞模式，鋼纖維的加入提高了混凝土的韌性，即提高了混凝土在抵御沖擊等動荷載時的吸能能力。

2014年，Tabatabaei等[30]研究了長度大于10 mm的碳纖維加入鋼筋混凝土之后，對鋼筋混凝土抗沖擊剝落性能的影響，文章通過面板落錘沖擊試驗以及美國材料實驗協(xié)會(ASTM)標準纖維混凝土彎曲性能試驗，比較了普通混凝土、鋼骨混凝土和四種不同類型的長碳纖維混凝土面板的抗沖擊性能。該研究對纖維混凝土的剝落性能進行了關(guān)注，既對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中防止鋼筋上混凝土的剝落有積極意義，也為機場等路面的混凝土剝落提供參考。

2015年，Yoo等[31]通過采用準靜態(tài)試驗和落錘式?jīng)_擊試驗機，研究了鋼纖維混凝土梁在準靜態(tài)和沖擊荷載作用下的受彎性能，得到了沖擊荷載下纖維含量和強度對沖擊損傷后構(gòu)件的殘余彎曲性能的影響。該研究關(guān)注沖擊損傷后構(gòu)件的殘余彎曲性能，開始考慮鋼纖維混凝土構(gòu)件與普通混凝土構(gòu)件受沖擊破壞之后殘余安全性能的差異。Gupta等[32]采用落錘試驗、彎曲荷載試驗和回彈試驗三種方法對混凝土進行了沖擊試驗，建立了落錘沖擊試驗、彎曲荷載試驗和回彈試驗結(jié)果之間的關(guān)系，研究了廢橡膠纖維替代細集料對混凝土抗沖擊性能的影響。研究人員開始試圖在纖維混凝土中利用其他廢棄物降低工程成本，并對其抗沖擊性能進行相關(guān)研究，此類研究對之后工業(yè)廢棄料在混凝土材料里的復(fù)合應(yīng)用及混凝土材料力學性能影響的研究提供了一定的參考。

2016年，Park等[33]改進了應(yīng)變能框架沖擊試驗機，并對超高性能纖維混凝土在高應(yīng)變率(10～150 s-1)下的直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進行了研究。Zhang等[34]采用伺服液壓機和落錘沖擊儀器對三種鋼纖維混凝土(SFRC)缺口梁進行了三點彎試驗，研究了混凝土的斷裂能和抗折強度隨荷載加載速率變化的規(guī)律以及纖維含量與加載速率靈敏度的關(guān)系。郝逸飛等[35]開展了螺旋鋼纖維混凝土的SHPB和落錘試驗，對該材料與梁構(gòu)件在高速沖擊下的響應(yīng)進行了研究。有關(guān)應(yīng)變率影響下的纖維混凝土力學性能的研究可以參考文獻中的Hopkinson桿、落錘沖擊等試驗。

纖維混凝土的基底和增強纖維的新嘗試，將會對更多新型復(fù)合材料的提出和發(fā)展有積極意義。2018年，F(xiàn)eng等[36]對不同種類的混雜纖維混凝土試件進行了連續(xù)重復(fù)落錘沖擊試驗，來研究多種混雜纖維對混凝土的碰撞能和沖擊韌性的影響。Siddiqui等[37]提出了一種估算混雜纖維混凝土(HFRC)板抗半球形彈頭沖擊可靠性的概率方法，對其發(fā)表的沖擊試驗結(jié)果進行了概率分析，通過可靠性分析得出混雜纖維混凝土板在彈丸沖擊下的安全水平，該方法對以后科研人員研究和分析抗沖擊試驗數(shù)據(jù)、評估纖維混凝土構(gòu)件抗沖擊可靠性提供了方法和思路。

2019年，董偉等[38]自制了落錘裝置，用來開展不同摻量的玄武巖纖維風積沙混凝土抗沖擊性能試驗，并分析了纖維阻裂增韌機理；研究了纖維混凝土試塊的韌性指標，即吸收沖擊能量能力；文章指明纖維混凝土的抗沖擊性能主要由纖維和水泥基體的錨固來實現(xiàn)，即提高纖維混凝土的抗沖擊能力可以通過增大纖維和水泥基體間的摩擦來實現(xiàn)。陳慶豐等[39]利用自制落錘沖擊試驗裝置，研究了碳纖維摻量和碳纖維長度對混凝土抗沖擊性能的影響，探究了碳纖維混凝土抗沖擊性能達到最優(yōu)時的碳纖維摻量和長度。在進行材料沖擊試驗時，自制落錘裝置的思路可以借鑒文獻中的描述，但是自制落錘裝置對研究材料性能來說不夠精準，若要探索精確應(yīng)變率下纖維混凝土的力學性能還需采取Hopkinson桿試驗。

綜上可以看出，纖維混凝土的抗沖擊試驗主要集中在落錘試驗和SHPB桿試驗，研究人員多從試件的剝落程度、能量吸收、試驗破壞后的殘余性能和沖擊韌性等方對各類纖維混凝土的抗沖擊性能進行分析，研究纖維的最佳摻量和最佳長度，或者探究各類纖維的加入對混凝土材料抗沖擊性能和吸能性產(chǎn)生影響的機理，以及混雜纖維混凝土內(nèi)纖維的混雜效應(yīng)。

2 纖維混凝土的抗爆試驗研究

相比于抗沖擊試驗，抗爆試驗更復(fù)雜，試驗數(shù)據(jù)的采集也更加困難，纖維混凝土的抗爆試驗有空中爆炸、接觸爆炸和內(nèi)部爆炸等[40]。由于鋼纖維比其他纖維具有更高的強度和韌性，國內(nèi)外對鋼纖維混凝土和構(gòu)件的抗爆試驗研究較多。

1966年，Williamson[41]記錄了72次纖維混凝土板的爆炸試驗結(jié)果，并通過纖維混凝土降低爆炸荷載產(chǎn)生的碎片數(shù)量和速度的能力來表征纖維混凝土的抗爆能力，對纖維混凝土抗爆能力的研究轉(zhuǎn)化為對試驗中產(chǎn)生碎片的記錄。1999年，Lok等[42]對鋼纖維混凝土面板進行了多次空氣爆炸比例試驗，文章介紹了試驗詳情和試件的響應(yīng)情況，為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)開展空氣爆炸比例試驗提供了經(jīng)驗。

2004—2007年，Magnusson等[43-44]對49根混凝土梁進行了空中爆炸和爆炸藥包加載的動態(tài)試驗研究，研究表明，鋼纖維的加入提高了混凝土梁的抗爆承載力，作者研究了兩種纖維長度，但恒定纖維長徑比的同體積含量的鋼纖維混凝土梁的力學性能，試驗結(jié)果表明，隨著抗壓強度的增加，韌性降低，動態(tài)強度高于相應(yīng)的靜強度。通過一系列試驗，鋼纖維混凝土爆炸性能與鋼纖維的長徑比和長度等的關(guān)系逐步明朗，為鋼纖維混凝土在抗爆領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2012年，Yi等[45]對加固的超高性能混凝土和活性粉末混凝土板進行了銨油(ANFO)爆破試驗，該試驗在韓國國防發(fā)展局位于軍事分界線附近的試驗場進行，記錄了試件的爆炸損傷和破壞模式，結(jié)果表明，超高強性能混凝土和活性粉末混凝土具有較好的抗爆性能。該研究可以為之后纖維混凝土的水泥基和混凝土超高強基體的選擇提供依據(jù)，也可以為之后混凝土板的爆破試驗提供借鑒。

2017年，F(xiàn)oglar等[46]進行了高性能纖維混凝土和超高性能纖維混凝土橋面的足尺爆破試驗，作者和捷克共和國武裝部隊合作，在競技軍事訓練區(qū)進行了試驗，從沖擊波的角度出發(fā)，解釋了試樣內(nèi)部應(yīng)力局部增大的原理，并闡述了混凝土中加入玄武巖網(wǎng)對耗散爆炸沖擊波能量的積極意義，對纖維混凝土以及各向異性材料的理論解釋有重要啟發(fā)。與Yi等[45]相似的是，跟各國國防部隊等的合作，使試驗數(shù)據(jù)和試驗條件更貼近武裝爆炸現(xiàn)實。

2019年， Yao等[47]通過連續(xù)接觸爆炸試驗，對混雜纖維混凝土面板的抗爆性能進行了試驗研究，通過損傷系數(shù)和抗爆系數(shù)對其性能進行定量評估，為之后定量比較分析受損纖維混凝土面板的抗爆性能提供了思路；并且，作者引入了纖維混雜效應(yīng)指數(shù)來評價混雜效應(yīng)對混雜纖維混凝土面板抗爆性能的影響，混雜纖維混凝土的抗爆研究也可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入。

研究人員通常對纖維混凝土板、梁等纖維混凝土試件進行空氣爆炸試驗和接觸爆炸試驗，得出纖維混凝土的抗爆性能和纖維對混凝土抗爆性能的影響，隨著試驗技術(shù)和方法的改進，對纖維混凝土的抗爆性能已經(jīng)逐漸開始定量分析。同時，科研人員積極在隧道、地下鋼纖維混凝土襯砌洞室內(nèi)探索高效開展化爆試驗的技術(shù)途徑，解決同一地點重復(fù)進行化爆試驗可靠回填和人員物資通行的需求，實現(xiàn)密閉爆炸試驗的安全封堵，解決試驗后洞室及周圍山體內(nèi)有害氣體快速排除的問題，為地下密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)重復(fù)開展帶復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的化爆試驗提供快速簡便的方法[48]。

3 理論研究和數(shù)值模擬

對纖維混凝土動力學性能的研究主要集中在試驗研究，在此基礎(chǔ)上，一些研究人員根據(jù)SHPB、落錘沖擊等試驗結(jié)果和經(jīng)驗，提出纖維混凝土的本構(gòu)模型，例如文獻[40]中，以材料動態(tài)試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了一個新的SFRC材料的含損傷粘塑性本構(gòu)模型,并通過積分出來的本構(gòu)曲線對試驗曲線進行逐次最小二乘法逼近，優(yōu)選出了模型中的材料本構(gòu)參數(shù)，之后的其他纖維混凝土動態(tài)試驗的數(shù)據(jù)處理和材料本構(gòu)模型分析可以借鑒作者的方法。

隨著數(shù)值計算領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來越多的科研工作者在試驗研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬來進行輔助研究，將試驗結(jié)果跟數(shù)值模擬的結(jié)果進行比較，如文獻[40,46]等。有限元模擬作為數(shù)值模擬中的重要部分，在材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的沖擊、爆炸和地震等各種工況下都有廣泛應(yīng)用。對于纖維混凝土的抗爆和抗沖擊來說，有限元模擬的難點之一在于材料屬性的設(shè)置和損傷模型的選取，精準模擬纖維混凝土的動態(tài)性能離不開對纖維混凝土動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的研究，因此對纖維混凝土的試驗研究和理論研究是纖維混凝土有限元模擬的基礎(chǔ)。尹華偉等[49]在LS-DYNA模擬混凝土動力性能的材料模型——K&C 模型的基礎(chǔ)上，基于大量三軸壓縮試驗改進了K&C 模型，使該模型應(yīng)用于鋼纖維混凝土的動力學模擬時能更好的與試驗相吻合。Peng等[50]建立了超高性能鋼纖維混凝土(UHP-SFRC)板接觸爆炸三維細觀模型來模擬超高性能混凝土，利用自編碼程序，將鋼纖維在混凝土基體中隨機分布和定向。

在有限元軟件的應(yīng)用上，除了LS-DYNA之外，Abaqus的用戶子程序和基于Python的二次開發(fā)功能，對科研人員根據(jù)試驗數(shù)據(jù)自定義材料模型十分友好，同時其Explicit求解器專門針對動力學求解模型，因此應(yīng)用也較為廣泛?？蒲腥藛T在之后的數(shù)值模擬中可以借鑒尹華偉[49]、Peng等[50]的模型，或者尋找新方法構(gòu)建模型，更真實地模擬纖維混凝土。

4 纖維混凝土抗沖擊和抗爆試驗在土木領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

隨著纖維混凝土材料的發(fā)展，纖維混凝土在土木工程抗沖擊和抗爆領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛，如鋼纖維混凝土配筋梁的落錘沖擊試驗研究[51]和耐堿集束型玻璃纖維混凝土板耐沖擊性能研究[52]等。鋼纖維混凝土是眾多纖維混凝土中運用最廣泛，理論研究最多的一種，目前已編寫的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》，是鋼纖維混凝土廣泛應(yīng)用的前提。土木工程領(lǐng)域常用鋼纖維混凝土代替部分混凝土，如剪力墻、柱、梁，同時，鋼纖維混凝土在道路路面和機場跑道上的應(yīng)用研究也較為廣泛。

文獻[53]在鋼纖維混凝土構(gòu)件的基礎(chǔ)上，提出了鋼管混凝土邊框鋼纖維高強混凝土新型剪力墻，建立了鋼管混凝土邊框鋼纖維高強混凝土剪力墻受剪、受彎和恢復(fù)力性能的計算方法，為編制我國《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》行業(yè)標準提供了試驗依據(jù)和理論參考。李楠[54-55]采用理論分析和數(shù)值模擬方法對爆炸荷載下鋼纖維高強混凝土墻(板)構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)、損傷效應(yīng)評估和抗震性能進行了系統(tǒng)研究。參考文獻[53-55]對其他纖維混凝土的力學性能和纖維混凝土構(gòu)件等進行了試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬，則其他種類的纖維混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究也會日漸趨于系統(tǒng)。

5 研究展望

在發(fā)展應(yīng)用復(fù)合材料過程中，各種纖維混凝土、紡織物增強混凝土、纖維增強復(fù)合材料等新型材料和傳統(tǒng)材料的優(yōu)化將會是未來土木構(gòu)件的發(fā)展方向，同時利用新材料在原有結(jié)構(gòu)上的升級改造也將是一大趨勢。

鋼筋-纖維混凝土梁、板、柱等構(gòu)件的抗爆和抗沖擊性能研究已經(jīng)廣泛開展，這對以后纖維混凝土在各個場合的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。土木工程領(lǐng)域中容易遭受沖擊或爆炸等荷載的原有鋼筋混凝土構(gòu)件，或?qū)⒅鸩綉?yīng)用纖維混凝土來替代。

但是由于研究人員多從鋼筋-纖維混凝土構(gòu)件的整體抗沖擊和抗爆性能出發(fā)，纖維與混凝土間在不同應(yīng)變率下的互相作用機理還需要更加深入地探討。同時鑒于纖維材料對混凝土材料韌性的提高，此后對纖維混凝土材料的斷裂破壞機理等方面的研究，或許可從斷裂脆性和斷裂韌性的角度出發(fā)加以分析。