本文是一篇土木工程论文，本文选用镀铜微丝钢纤维和PE纤维作为增强体，与混凝土基体结合制备出了混杂纤维混凝土。通过试验研究静态抗压性能、动态冲击压缩性能发现，掺入纤维对UHPC的静动态力学性能提升较好。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
混凝土作为一种水泥基材料，由于材料性能良好、施工简便以及相对经济的造价，在现代建筑中的重要性和可靠性具有无可替代的作用，全球每年的产量高达50亿吨左右。据统计，我国每时每刻都在进行大量的基础建设，在2020年中水泥累计消耗量达23.77×108吨。中国建筑材料联合会在2021年年初率先发布了《建筑材料行业碳达峰、碳中和行动倡议书》，其中，诸如水泥行业这类重点行业，将在2023年前率先实现碳达峰[1]。2021年，我国水泥产量为23.8亿吨，较上年降低0.4%，由于水泥价格开始持续爬升，伴随着“能耗双控”、“有序用电”等外部管控，作为混凝土主要生产原材料的水泥、砂石生产都受到限制，混凝土生产陷入原料价格居高不下且供应紧缺的艰难境地。根据国家统计局发布的公报，2022年全年水泥产量达到21.3亿吨[2]，比上年降低10.5%。综上所述，现代建筑不再局限于对普通混凝土的需求，而是向着节能、节材、减少碳排放的方向发展，许多新型混凝土材料应运而生并在社会推动下不断革新与进步。
随着我国可持续发展战略的推进，超高性能混凝土（UHPC）作为绿色混凝土工程材料，在降低资源消耗、提高经济效益、减少碳排放、增加结构安全性和抵御自然灾害等方面引起了专家们的极大关注。UHPC是一种性能指标明确的创新性材料，与传统混凝土不同，UHPC不含粗骨料，并加入了矿物掺合料，组成成分中除了水泥，还主要包括：粉煤灰、硅灰、细骨料、高效减水剂等。作为新一代水泥基复合材料，UHPC的特性包括超高强度、耐久性强及抗渗透性高。除被广泛应用于桥涵隧道、海洋结构、大跨结构和超高层建筑外，还被应用于核工程、军事防护工程等[3-5]，由于这些建筑物需要承受稳定的静荷载并可能面临偶然的冲击和爆炸荷载，因此，为了提高UHPC抗冲击和抗爆性能，对其进行动态力学性能研究尤为重要。
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1.2 UHPC的力学性能研究现状
在20世纪20年代到70年代期间，混凝土的平均抗压强度维持在20MPa到40MPa之间。直到20世纪70年代末，混凝土的制作开始广泛使用研发出的减水剂和高活性掺合料，混凝土的抗压强度超过了60MPa。自此之后高强混凝土[12]在土木工程中的应用范围不断扩大。虽然抗压强度得到了显著提升，但是其存在脆性大、韧性差、破坏无预兆等特点。人们考虑在混凝土中使用纤维增强的方法，制作了纤维增强混凝土[13]。随后，工程水泥基复合材料[14]和活性粉末混凝土[15]等性能优异的混凝土材料也相继诞生。基于活性粉末混凝土超高的材料性能，超高性能混凝土（UHPC）的概念被Larrard和Sedran[16]在1994年提出。自此之后，基于活性粉末混凝土制备技术的超高性能混凝土的材料性能、组分特征和工程应用等是目前混凝土材料发展的重要方向。
1.2.1 单掺纤维UHPC的力学性能研究现状
目前国内外关于UHPC准静态力学性能研究重点是抗压强度、拉伸应变、初裂强度和应力应变关系等，相对于普通混凝土而言，纤维在UHPC内部的无序排列，能够有效地抑制裂缝的扩散，极大地提升其韧性，使得破坏模式由脆性向延性模式转变。
徐朦等[17]通过固定UHPC的水胶比（0.18）和钢纤维掺量（60kg/m3），改变掺入钢纤维的长径比来测试UHPC的基本力学性能。结果表明：长径比高的钢纤维能使UHPC抗拉强度显着增加，增加幅度达80.5%；但是长径比相对较小的两种普通钢纤维对UHPC抗拉强度增加幅度有所下降，增加了17.4%和24.0%。Yoo等[18]对长度为13、19.5、30mm的圆直纤维（长径比分别为65、97.5、100）进行了研究，结果显示：当只添加固定体积率的纤维时，其抗压强度会随着长径比的增加从211.8MPa降至209.7MPa。Wu等[19]通过改变钢纤维的掺量来测试UHPC的力学性能和混凝土的收缩率。结果表明，随着钢纤维体积率的增加，抗压及抗弯强度有明显的提升，收缩率明显下降。但最佳纤维掺量为2%，超过最佳纤维掺量后，强度提升不显著，并且收缩率下降变缓。陈亮等[20]为了研究不同纤维含量对UHPC力学性能的影响并考虑材料成本，制备了四种不同体积含量的钢纤维UHPC试件，并进行了立方体抗压、单轴抗压、弹性模量、单轴拉伸以及四点弯曲试验。目的是为了确定UHPC的最佳纤维掺量。
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2 混杂纤维UHPC静态抗压试验
2.1 主要原材料及其性能
（1）试验选用42.5级普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。水泥是UHPC制备中不可或缺的材料，具有增加粘结性、强度增强、耐久性提高等作用。
（2）试验加入硅灰，硅灰又被称为硅粉或微硅粉，是一种由硅酸盐矿物制成的粉状物质，通常由矿石或矿渣经过炉渣处理或其他化学工艺制得。部分替代水泥时，能够产生出色的微观颗粒填充效应和类似火山灰的效果，而不会降低混凝土的强度。
（3）试验选用I级粉煤灰，密度为2.42g/cm3。粉煤灰通常通过烟气除尘系统收集和捕集而得到，在混凝土中作为掺合料的资源化利用。曹润倬等[58]研究发现掺入适量粉煤灰可改善UHPC的流动度，从而提高UHPC的抗压强度。
（4）试验加入矿粉，矿粉对于提升UHPC的强度非常有益。矿粉是一种细粉状的矿石颗粒，通常是在矿石开采和加工过程中副产品的产物。在蒸汽养护过程中，由于它的火山灰活性，氢氧化钙的含量被有效地降低了。此外，矿粉还可以作为微细颗粒填充基体，增加其密度，从而实现更好的填充效应。
（5）本试验石英砂采用20~40目石英砂。石英砂是一种常见的自然矿物，主要由二氧化硅（SiO2）组成。是一种硬度较高的矿物，选择硅质含量较高的石英砂，有助于更好地填充UHPC中的空隙，提高其致密性。
（6）石英粉在混凝土中具有重要的填充功能，通过填充微小空隙，增加了UHPC的堆积密度。试验中所用石英粉尺寸为325目，密度为2.65g/cm3。
（7）本试验减水剂采用聚羧酸高效减水剂。高效减水剂在流动性能方面发挥了关键作用，解决了UHPC的水胶比较低而流动性会受到影响的问题。
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2.2 试验配合比设计
在不改变总体积掺量2.0%的前提下，基于已有的UHPC混杂纤维配合比，采用镀铜微丝钢纤维和聚乙烯纤维，通过单掺和混杂两种方式制备UHPC。目的是探索混杂纤维对UHPC力学性能的影响。将不含纤维的普通UHPC作为对照组。整个试验中UHPC的水胶比为0.2，试验可分为单掺组和混杂组两部分，情况如下：
1）保持总体积掺量2%不变，将SF纤维以及6mm、12mm和18mm的PE纤维各自单掺，研究其对UHPC工作性能和力学性能的影响。
2）保持总体积掺量2%不变，将SF纤维分别与6mm、12mm和18mm的PE纤维按1：1的比例混杂，研究SF纤维与不同长度PE纤维混杂时，对UHPC工作性能与力学性能的影响。
配合比见表 2-9所示。
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3 混杂纤维UHPC动态压缩试验研究 .............................. 19
3.1 SHPB冲击压缩试验技术 .............................. 19
3.1.1 SHPB试验装置 ................................... 19
3.1.2 SHPB试验原理 ............................. 20
4 混杂纤维UHPC动态压缩数值模拟 .............................. 41
4.1 混杂纤维UHPC有限元模型 .................. 41
4.1.1 纤维生成 ....................................... 41
4.1.2 单元类型选择 ........................................ 42
5 结论与展望................................... 59
5.1 结论 .................................... 59
5.2 展望 .................................... 60
4 混杂纤维UHPC动态压缩数值模拟
4.1 混杂纤维UHPC有限元模型
4.1.2 单元类型选择
SHPB装置中入射杆、透射杆和混凝土试件采用SOLID164三维实体单元，该单元具有六面八节点，选用缩减积分单元，在冲击等高应变率问题上模拟效果较好。由于本文试验基于一维应力波假定，同时考虑到简化数值计算模型，因此需要忽略支座和压杆之间的摩擦力，两者之间的相互接触面上的摩擦力为零。模拟中选择Lagrange算法，沙漏则通过均匀划分网格和增大模型体积粘性等方式来控制。
混凝土试件中的混杂纤维采用BEAM161单元，单元由首尾两个节点定义，在纤维模型的数值计算中效果较好。
4.1.3 单位制
使用正确的单位制对于LS-DYNA的数值计算至关重要，在LS-DYNA的数值计算中，对于所采用的单位没有明确的规定，但是各个单位制要相互统一。在本文数值计算中，长度单位、质量单位和时间单位分别采用厘米（cm）、克（g）和微秒（μs），其余的导出单位见表 4-1。
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5 结论与展望
5.1 结论
在UHPC受到冲击时，纤维可以有效缓解其爆裂破坏，显著提高结构安全性，对于实际工程有着重大意义。本文选用镀铜微丝钢纤维和PE纤维作为增强体，与混凝土基体结合制备出了混杂纤维混凝土。通过试验研究静态抗压性能、动态冲击压缩性能发现，掺入纤维对UHPC的静动态力学性能提升较好，主要工作和研究成果如下：
（1）根据UHPC的静态抗压试验结果，普通UHPC试件通常表现出典型的脆性破坏形式，而掺入纤维的UHPC试件则会首先出现一些微细裂纹，这些裂纹不太明显，然后逐渐扩展成可见的宏观裂缝，属于延性破坏。纤维UHPC抗压强度大于普通UHPC，单掺纤维时，抗压强度为：SF＞PE2＞PE3＞PE1；混杂纤维时，抗压强度为：SF+PE2＞SF+PE1＞SF+PE3。SF+PE纤维组与SF纤维组相比，抗压强度均有下降，下降幅度分别为20.95%、3.88%、21.91%，SF+PE2组与SF组的抗压强度最接近。SF+PE1组与PE1组相比，抗压强度提升了6.97%；SF+PE2组与PE2组相比，抗压强度提升了9.72%；SF+PE3组与PE3组相比，抗压强度下降了4.97%。结果表明：混杂纤维UHPC中SF+PE2混杂对抗压强度的提升效果最好，SF+PE3混杂对抗压强度为负提升。
（2）根据受冲击后试件最终呈现出的损伤破坏程度，纤维UHPC在0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa气压的作用下表现出的破坏形态可分为“轻微龟裂”、“破裂”、“破碎”三种。SF组UHPC碎块轮廓清晰，PE组UHPC裂缝更为密集，SF+PE1、SF+PE2、SF+PE3混杂纤维组对比单掺纤维组破坏更轻，裂缝更少。同时，不同破坏形态下所对应的脉冲波形曲线特征也存在不同。当加载后的破坏形态表现为“轻微龟裂”时，反射波波尾出现明显的“压缩波”现象。当加载后的破坏形态为“破裂”和“破碎”时，此时的应变率相对较高，反射波波形会呈现出明显的双峰现象，并且随着冲击气压的增大，第二峰峰值会逐渐大于第一峰峰值。
参考文献（略）