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【摘 要】 本文利用Φ75mm大口径SHPB系统，开展了钢纤维混凝土材料的冲击动态力学试验，得到在不同应变率下、不同钢纤维体积率的材料应力-应变关系曲线。基于唯象学理论并由试验结果可知：随着纤维含量的增加，钢纤维混凝土材料的峰值应变，峰值应力都随之提高，并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此试验结果为基础，对强度增强效应和变形增韧机理作了相应的理论分析，得到裂后韧度R2与钢纤维体积率的具体函数表达式。
【关键词】 钢纤维混凝土；动态；应力-应变曲线；应变率；增强增韧
【中图分类号】 TU528 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0143-04
钢纤维混凝土是在脆性的混凝土基体中掺入各类型钢纤维所形成的一种新型复合增强材料。钢纤维混凝土材料具有耐疲劳、抗拉和抗剪强度高等力学性能，由于乱向分布纤维的阻裂和增强增韧效应，使得钢纤维混凝土具有比普通混凝土更高的强度和更好的韧性，因此材料的动态力学性能研究一直备受关注。
本文在Φ75mm大口径SHPB系统上分别进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%的三种混凝土材料动态性能试验，得出了在应变率为38s-1-150s-1下，不同钢纤维体积率的应力-应变关系曲线。由钢纤维混凝土应力-应变曲线的基本特点，深入分析钢纤维冲击动态增强效应机理，得到钢纤维混凝土材料的裂后韧度和纤维含量的具体函数关系式。
1 试验试件和试验设备
试件尺寸为Φ30mm×70mm的圆柱体，钢纤维为0213型微纤维，纤维直径d=0.2mm，长度l=15mm，长径比l/d=75；水泥为PO425普通硅酸水泥；粗骨料为洗净连续粒径碎石；细骨料为洗净河沙；使用SM高效减水剂和普通自来水。试验采用炮兵学院先进材料动力学实验室Φ75mm的SHPB实验系统完成。
按照试验方案，三种不同钢纤维体积率下的混凝土配合比详见表1。我们将每个不同体积含量的钢纤维混凝土试件分别做了5-8个，由于篇幅所限，在文中只列出不同应变率下，不同钢纤维体积率的一组试验数据。
2不同钢纤维体积率、不同应变率下的应力-应变曲线
利用Φ75mm大口径SHPB系统，对钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%试件进行了不同应变率下的冲击压缩试验，应用三波校核法处理试验数据，做出相应应力-应变曲线并自动计算峰值附近的平均应变率，得到钢纤维混凝土动态应力-应变曲线如图1所示。由图可知，钢纤维体积率和应变率大小对混凝土基体的应力和应变产生影响，除个别试验结果离散外，一般峰值应变和极限应变都随着钢纤维体积率和应变率的增加而增大，材料峰值应力亦随着钢纤维体积率和应变率的增加而提高，进而说明钢纤维对混凝土基体具有增强和增韧效果。
3钢纤维增强效应机理分析
图2是约在80s-1应变率下的动态压缩试验结果。
由图2可以看出，当应变率约为80s-1时，钢纤维体积率为0.75%的混凝土的峰值应力相对于素混凝土的峰值应力提高了18%；钢纤维体积率为1.5%时其峰值应力提高了10%，由此可说明钢纤维的增强效果。另外参看文献中的试验数据还发现，即使是相同的钢纤维体积率，在冲击荷载作用下钢纤维混凝土的峰值应力提高没有静载试验的明显。
为了更好地描述钢纤维的增强效应，从图2还可以看出，不同钢纤维体积率试件的峰值应力均具有明显的应变率效应，而在不同应变率下的应力应变曲线的非线性行为存在着相似性，即随着的应变率的提高其峰值应力增大，体现了材料的应变率相关效应。我们用动态增强系数Df=来描述应变率对钢纤维混凝土峰值应力的增强效果，其中σs为参考应变率ε′s=45.42s-1下的峰值应力，σ为不同应变率和钢纤维体积率下的曲线峰值应力。于是，冲击荷载作用下0%、0.75%、1.5%三种钢纤维体积率的动态增强系数与对数应变率的关系如图3所示。
分析图3表明，应变率对钢纤维混凝土材料的动态力学增强性能有着重要的影响，钢纤维体积率为1.5%的混凝土增强系数最大达到2.28，而钢纤维体积率为0.75%混凝土和素混凝土的最大增强系数与分别是1.8和1.36，说明随着钢纤维体积率的提高，混凝土的应变率效应越显著。
4钢纤维增韧效应机理分析
钢纤维的掺入对混凝土基体同样具有明显的增韧作用。材料力学中用单位体积的黏结能或者拔出功来描述应力—应变曲线与坐标轴围成的面积及形状特点，即曲线围成的面积越大，破坏时外界做功所消耗的能量也就越大。以鋼纤维混凝土应力-应变曲线的峰值点（σb，εb）为分界，峰值点前为微裂纹稳定扩展阶段，取裂前韧度R1；峰值点后为微裂纹不稳定发展直至明显裂缝，取裂后韧度R2，如图4所示。观察不同纤维体积率下的混凝土应力-应变曲线不难发现：在线弹性阶段面积相差不大，说明钢纤维体积率对材料的弹性模量影响不大；当应力达峰值后，面积相差较大，即材料破坏所需要消耗的黏结能或者拔出功就越多，说明钢纤维体积率对混凝土基体增韧效果明显，因为裂纹产生后释放的应变能首先被钢纤维脱离黏结剂所吸收，而不是用于裂纹的扩展，故钢纤维增加了材料峰值应力后的韧度，即裂后韧度R2。
再求出图2中曲线的裂后韧度R2，找到其与钢纤维体积率的关系如图7所示，说明采用式（6）拟合情况较好；且分析表明随着钢纤维体积率的增加，钢纤维混凝土材料的裂后韧度增加十分显著。对于脆性的素混凝土，材料一旦开裂就破坏，所以材料峰值应力后的韧度很小。表3亦给出了由试验曲线求出的钢纤维混凝土和素混凝土裂后韧度的比值。
5结论
（1）本文对不同钢纤维体积率和不同应变率下的混凝土材料开展了冲击动态压缩试验研究，得出了不同钢纤维体积率和不同应变率下的钢纤维混凝土的应力-应变曲线。研究表明：随着钢纤维体积率和不同应变率的提高，钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高，达到峰值应力后出现应力的应变软化现象。
（2）由钢纤维混凝土动态应力-应变曲线的基本特点，得出钢纤维具有明显的增强效应和增韧效应宏观结论，并通过拟合试验数据得出裂后韧度R2与钢纤维体积率Vf及函数表达式以及相关的应变率效应。
（3）本文对钢纤维混凝土动态试验的机理分析主要体现在力学的宏观方面，若要对钢纤维增强增韧机理进行更深入的研究，就需要进一步研究钢纤维的“拔出”理论，因此，从细观力学角度研究钢纤维混凝土的力学行为是本文后续工作的重点。
【参考文献】
[1]罗章，李夕兵，凌同华.钢纤维混凝土的增强机理与断裂力学模型研究[J].矿业研究与开发，2003，23（4）：18-22.
[2]陈秀菊.钢纤维混凝土的增强机理及断裂韧性的研究[D].南京：河海大学，2005.
[3]尚兵，胡时胜，姜锡权，等.金属材料SHPB实验数据处理的三波校核法[J].爆炸与冲击，2010，30（4）：429-432.
[4]赵碧华，刘永胜.超短钢纤维混凝土的SHPB试验研究[J].混凝土，2007（8）：55-57.
[5]钟晨，叶中豹，王颖，等.一种新形式非线性钢纤维混凝土本构关系[J].硅酸盐通报，2018（5）：1583-1588.
[6]黄瑞源，王志亮，李永池，等.钢纤维混凝土力学特性与本构模型研究[J].低温建筑技术，2009（8）：32-34.
[7]王林.钢纤维混凝土动静态力学特性试验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010.
[8]严少华，李志成，王明洋，尹放林，等.高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究[J].爆炸与冲击，2002，22（3）：415-419.
[9]严少华，钱七虎，孙伟，等.钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力-应变关系[J].东南大学学报，2001，31（2）：77-80.
[10]杜明干.纤维混凝土细观力学模型与应用[D].北京：清华大学，2004.
【关键词】 钢纤维混凝土；动态；应力-应变曲线；应变率；增强增韧
【中图分类号】 TU528 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0143-04
钢纤维混凝土是在脆性的混凝土基体中掺入各类型钢纤维所形成的一种新型复合增强材料。钢纤维混凝土材料具有耐疲劳、抗拉和抗剪强度高等力学性能，由于乱向分布纤维的阻裂和增强增韧效应，使得钢纤维混凝土具有比普通混凝土更高的强度和更好的韧性，因此材料的动态力学性能研究一直备受关注。
本文在Φ75mm大口径SHPB系统上分别进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%的三种混凝土材料动态性能试验，得出了在应变率为38s-1-150s-1下，不同钢纤维体积率的应力-应变关系曲线。由钢纤维混凝土应力-应变曲线的基本特点，深入分析钢纤维冲击动态增强效应机理，得到钢纤维混凝土材料的裂后韧度和纤维含量的具体函数关系式。
1 试验试件和试验设备
试件尺寸为Φ30mm×70mm的圆柱体，钢纤维为0213型微纤维，纤维直径d=0.2mm，长度l=15mm，长径比l/d=75；水泥为PO425普通硅酸水泥；粗骨料为洗净连续粒径碎石；细骨料为洗净河沙；使用SM高效减水剂和普通自来水。试验采用炮兵学院先进材料动力学实验室Φ75mm的SHPB实验系统完成。
按照试验方案，三种不同钢纤维体积率下的混凝土配合比详见表1。我们将每个不同体积含量的钢纤维混凝土试件分别做了5-8个，由于篇幅所限，在文中只列出不同应变率下，不同钢纤维体积率的一组试验数据。
2不同钢纤维体积率、不同应变率下的应力-应变曲线
利用Φ75mm大口径SHPB系统，对钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%试件进行了不同应变率下的冲击压缩试验，应用三波校核法处理试验数据，做出相应应力-应变曲线并自动计算峰值附近的平均应变率，得到钢纤维混凝土动态应力-应变曲线如图1所示。由图可知，钢纤维体积率和应变率大小对混凝土基体的应力和应变产生影响，除个别试验结果离散外，一般峰值应变和极限应变都随着钢纤维体积率和应变率的增加而增大，材料峰值应力亦随着钢纤维体积率和应变率的增加而提高，进而说明钢纤维对混凝土基体具有增强和增韧效果。
3钢纤维增强效应机理分析
图2是约在80s-1应变率下的动态压缩试验结果。
由图2可以看出，当应变率约为80s-1时，钢纤维体积率为0.75%的混凝土的峰值应力相对于素混凝土的峰值应力提高了18%；钢纤维体积率为1.5%时其峰值应力提高了10%，由此可说明钢纤维的增强效果。另外参看文献中的试验数据还发现，即使是相同的钢纤维体积率，在冲击荷载作用下钢纤维混凝土的峰值应力提高没有静载试验的明显。
为了更好地描述钢纤维的增强效应，从图2还可以看出，不同钢纤维体积率试件的峰值应力均具有明显的应变率效应，而在不同应变率下的应力应变曲线的非线性行为存在着相似性，即随着的应变率的提高其峰值应力增大，体现了材料的应变率相关效应。我们用动态增强系数Df=来描述应变率对钢纤维混凝土峰值应力的增强效果，其中σs为参考应变率ε′s=45.42s-1下的峰值应力，σ为不同应变率和钢纤维体积率下的曲线峰值应力。于是，冲击荷载作用下0%、0.75%、1.5%三种钢纤维体积率的动态增强系数与对数应变率的关系如图3所示。
分析图3表明，应变率对钢纤维混凝土材料的动态力学增强性能有着重要的影响，钢纤维体积率为1.5%的混凝土增强系数最大达到2.28，而钢纤维体积率为0.75%混凝土和素混凝土的最大增强系数与分别是1.8和1.36，说明随着钢纤维体积率的提高，混凝土的应变率效应越显著。
4钢纤维增韧效应机理分析
钢纤维的掺入对混凝土基体同样具有明显的增韧作用。材料力学中用单位体积的黏结能或者拔出功来描述应力—应变曲线与坐标轴围成的面积及形状特点，即曲线围成的面积越大，破坏时外界做功所消耗的能量也就越大。以鋼纤维混凝土应力-应变曲线的峰值点（σb，εb）为分界，峰值点前为微裂纹稳定扩展阶段，取裂前韧度R1；峰值点后为微裂纹不稳定发展直至明显裂缝，取裂后韧度R2，如图4所示。观察不同纤维体积率下的混凝土应力-应变曲线不难发现：在线弹性阶段面积相差不大，说明钢纤维体积率对材料的弹性模量影响不大；当应力达峰值后，面积相差较大，即材料破坏所需要消耗的黏结能或者拔出功就越多，说明钢纤维体积率对混凝土基体增韧效果明显，因为裂纹产生后释放的应变能首先被钢纤维脱离黏结剂所吸收，而不是用于裂纹的扩展，故钢纤维增加了材料峰值应力后的韧度，即裂后韧度R2。
再求出图2中曲线的裂后韧度R2，找到其与钢纤维体积率的关系如图7所示，说明采用式（6）拟合情况较好；且分析表明随着钢纤维体积率的增加，钢纤维混凝土材料的裂后韧度增加十分显著。对于脆性的素混凝土，材料一旦开裂就破坏，所以材料峰值应力后的韧度很小。表3亦给出了由试验曲线求出的钢纤维混凝土和素混凝土裂后韧度的比值。
5结论
（1）本文对不同钢纤维体积率和不同应变率下的混凝土材料开展了冲击动态压缩试验研究，得出了不同钢纤维体积率和不同应变率下的钢纤维混凝土的应力-应变曲线。研究表明：随着钢纤维体积率和不同应变率的提高，钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高，达到峰值应力后出现应力的应变软化现象。
（2）由钢纤维混凝土动态应力-应变曲线的基本特点，得出钢纤维具有明显的增强效应和增韧效应宏观结论，并通过拟合试验数据得出裂后韧度R2与钢纤维体积率Vf及函数表达式以及相关的应变率效应。
（3）本文对钢纤维混凝土动态试验的机理分析主要体现在力学的宏观方面，若要对钢纤维增强增韧机理进行更深入的研究，就需要进一步研究钢纤维的“拔出”理论，因此，从细观力学角度研究钢纤维混凝土的力学行为是本文后续工作的重点。
【参考文献】
[1]罗章，李夕兵，凌同华.钢纤维混凝土的增强机理与断裂力学模型研究[J].矿业研究与开发，2003，23（4）：18-22.
[2]陈秀菊.钢纤维混凝土的增强机理及断裂韧性的研究[D].南京：河海大学，2005.
[3]尚兵，胡时胜，姜锡权，等.金属材料SHPB实验数据处理的三波校核法[J].爆炸与冲击，2010，30（4）：429-432.
[4]赵碧华，刘永胜.超短钢纤维混凝土的SHPB试验研究[J].混凝土，2007（8）：55-57.
[5]钟晨，叶中豹，王颖，等.一种新形式非线性钢纤维混凝土本构关系[J].硅酸盐通报，2018（5）：1583-1588.
[6]黄瑞源，王志亮，李永池，等.钢纤维混凝土力学特性与本构模型研究[J].低温建筑技术，2009（8）：32-34.
[7]王林.钢纤维混凝土动静态力学特性试验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010.
[8]严少华，李志成，王明洋，尹放林，等.高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究[J].爆炸与冲击，2002，22（3）：415-419.
[9]严少华，钱七虎，孙伟，等.钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力-应变关系[J].东南大学学报，2001，31（2）：77-80.
[10]杜明干.纤维混凝土细观力学模型与应用[D].北京：清华大学，2004.