UHPC防护工程材料研究进展_赖建中.pdf

书书书第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20221224基金项目:国家自然科学基金面上项目(52078253，51678308)作者简介:赖建中(1978)，男，博士，教授，博导，主要从事防护工程材料和结构研究。通讯作者:何勇(1964)，男，博士，研究员，主要从事新型弹药高效毁伤与工程防护技术研究。Email:yhe1964 。引用格式:赖建中，何勇，任辉启 UHPC 防护工程材料研究进展 J防护工程，2023，45(1):17LAI Jianzhong，HE Yong，EN Huiqi Progress of UHPC protective engineering material researchJProtective Engineering，2023，45(1):17UHPC 防护工程材料研究进展赖建中1何勇1任辉启2(1.南京理工大学工程安全防护技术研究所，江苏 南京 210094;2.军事科学院国防工程研究院，北京 100850)摘要现代战争对防护工程材料性能提出了更高要求。超高性能混凝土(UHPC)作为一种高强度的建筑材料，其抗压强度大于 150 MPa，抗折强度大于 30 MPa，同时具备抗多次打击能力，相较于普通混凝土其防护性能提升巨大。介绍了 UHPC 材料在对抗多次冲击、侵彻、爆炸和侵爆耦合条件下的防护性能及 UHPC 材料的防护机理。为进一步提高 UHPC 材料的抗侵彻性能，提出功能梯度设计方法，使用高强骨料和纤维对 UHPC 材料进行梯度强化，并从实验方法、数值仿真、理论研究等 3 个方面概述功能梯度 UHPC 的设计理念和研究进展。关键词超高性能混凝土;多次冲击;侵彻;爆炸;功能梯度设计Progress of UHPC protective engineering material researchLAI Jianzhong1，HE Yong1，EN Huiqi2(1.Institute of Engineering Safety Protection Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2.Defense Engineering Institute，AMS，PLA，Beijing 100850，China)AbstractModern warfare requires protective engineering materials with higher performance Ultrahighperfor-mance concrete(UHPC)，as a high strength construction material，has a compressive strength of more than 150MPa and flexural strength of more than 30 MPa Meanwhile，it has the multiple impact resistance capability，whichsignificantly improves the protective performance compared with that of normal concrete This paper first describedthe protective performance and mechanism of the UHPC when countering the multiple impact，penetration，explo-sion and penetrationexplosion coupling;then，proposed a gradient functional design method in order to further im-prove the penetration resistance of the UHPC that uses high strength aggregates and fibers for gradient reinforce-ment;and finally overviewed the concept and research progress of the gradient functional design of UHPC from theaspects of experimental method，numerical simulation and theoretical modelKeywordsultrahighperformance concrete;multiple impact;penetration;explosion;gradient functional design打击武器和防护工程的发展呈现螺旋上升的趋势。作为防护材料的重要组成部分，超高性能混凝土(UHPC)技术在过去 10 年内取得长足发展。UHPC 材料的强度相比传统混凝土材料有了跨越式提升。同时，依靠纤维强化，其失效模式也不再呈现脆断，可靠性有了极大的提高。另外，UHPC 材料在耐久性、可施工性等方面也有巨大的优势。因此，UHPC 材料已被广泛地应用于建筑、桥梁、结构修复等工程中。防护工程是国防建设的重要组成部分，UHPC防护工程2023 年材料凭借其优异的性能，将会有力提升防护工程的综合防护能力。然而，UHPC 材料在防护工程领域中的应用研究还需要在研究手段、实验设计、结构设计等方面进一步完善。研究手段上，早期的 UHPC材料通常只以实验研究为基础，成本高、效率低、实验结果存在偶然性。实验设计方面，先前的实验条件以单次冲击为主，没有紧密贴合实战。结构设计方面，原有的 UHPC 材料通常采用均质设计，没有针对冲击载荷的特点进行优化。近些年来，针对 UHPC 材料存在的问题，研究人员进行了更加细致严谨的研究，弥补了现有UHPC 防护材料存在的缺陷。笔者将对 UHPC 防护工程材料在研究手段、实验设计和结构设计方面的成果进行阐述。实验、理论、数值仿真等综合研究体系的建立，丰富了研究手段，并降低了研究成本;基于实战条件设计了多次打击、不同打击方式耦合下的实验，促进 UHPC 材料防护效果进一步提升;提出了功能梯度设计理论，优化了 UHPC 材料在复杂冲击条件下的综合防护性能。1UHPC 材料设计理论UHPC 材料的设计理论主要包括最密堆积理论、活性粉末理论和纤维强化理论。如表 1 所示，UHPC 的抗压强度可达 150 MPa 以上，抗折强度可达30 MPa 以上，弹性模量可达45 GPa 以上。在三大理论的基础上，学者们进行了一系列优化工作以满足防护工程的需要，例如添加高强粗骨料，改善最密堆积曲线，复合纤维强化等，取得了一定的成效。然而，随着武器弹药毁伤性能的不断提高，单一 UHPC 材料已经略显不足。因此，学者们引入了功能梯度设计理念，进一步提升 UHPC 材料的防护性能。表 1UHPC 性能指标抗压强度/MPa抗弯强度/MPa弹性模量/GPa密度/(kg/m3)1503003010045652 4003 400功能梯度防护材料的设计理念在于，基于冲击过程中的动载荷不均匀，对不同区域进行针对性强化。典型的功能梯度防护材料分为 3 层，如图 1 所示，分别为阻裂层、抗钻层和防塌层。阻裂层采用混杂纤维强化 UHPC，使得材料上表面在受到动态拉伸载荷时，保持结构完整，保护抗钻层。抗钻层采用高强度高硬度粗骨料对 UHPC 进行强化，减少侵彻载荷 对 结 构 的 损 伤。防 塌 层 采 用 钢 纤 维 强 化UHPC，减少背部开裂，维持结构完整。由于 3 层材料均采用相同的 UHPC 材料基体，层与层之间的界面会随着材料的流动而相互融合且最终消失，从而实现无界面的梯度结构，使得材料具备更好的防护性能。实践证明，采用功能梯度设计的 UHPC，其综合防护性能提升 3 倍以上。图 1功能梯度 UHPC 结构示意图2UHPC 防护性能UHPC 的防护性能应当以实战进行检验。作为一种建筑材料，UHPC 材料用作防护工程主要的结构材料，在实战中会遭到多次冲击。而当 UHPC 材料作为地下工程的抗弹层时，有可能遭到钻地弹的连续攻击。然而，以实战条件作为实验手段客观上存在困难。为了解决这个问题，研究者在研究对抗多次冲击和对抗钻地弹打击所需的防护材料时设计了贴近实战的测试方法，以类似的载荷形式研判材料的防护性能。在对抗多次冲击时，使用的实验方法是将初次冲击载荷施加在靶体受冲击面中心，而二次冲击载荷和随后的多次冲击载荷则施加在破坏面最深处。这种冲击载荷可以是弹体侵彻、炸药爆炸或高速射流等。2.1抗冲击性能霍普金森杆可以直观地向 UHPC 材料施加可控的动载荷，因此被广泛地用作 UHPC 抗冲击性能的研究手段。UHPC 材料在霍普金森杆加载条件下，其峰值应力和动态弹性模量与加载应变率存在普适的正相关，这种特性被称为应变率效应。另一方面，采用纤维强化后，UHPC 材料在抗冲击性能上有了显著的提升。这种提升可以从 UHPC 材料具备抗多次高应变率动载荷的能力中体现1。这种抗多次冲击的特性更加贴近实际防护工程的需要，具备对抗武器多次攻击的潜力。2第 45 卷 第 1 期赖建中，等:UHPC 防护工程材料研究进展在 UHPC 材料抗多次冲击的实验中，随着冲击次数的增加，UHPC 材料的峰值应力和弹性模量逐渐减少，相反应变率和峰值应变则逐渐增大。这种行为反映了在多次冲击下 UHPC 材料中损伤的逐渐积累的过程2。而随着损伤的增加，压缩波和拉伸波会发生衰减，并在一定程度后达到稳定。而通过纤维强化带来的阻裂和桥接作用可以强化材料的抗冲击性能，并将开裂裂缝的宽度降低到 0.5 mm以下，如图 2 所示3。因此，在 UHPC 抗冲击材料中，纤维的强化作用非常关键。如图 3 所示，在数次冲击之后，UHPC 靶的峰值应力没有明显下降，而应变量则有所上升，反映了纤维在冲击过程中的形变、拔出、断裂等多种行为能够吸收冲击的能量，使得纤维强化的 UHPC 材料具有极为优秀的抗多次冲击性能。(a)未添加纤维(b)添加纤维图 2纤维对开裂状态的影响3 图 3多次冲击下 UHPC 的应力应变曲线2 引入数学模型描述材料的抗冲击过程有助于对材料的防护性能进行定量评估，而其中较为困难的一点则是对材料的损伤进行量化描述。针对 UHPC材料抗多次冲击中的损伤规律，进行了一系列实验和理论研究。研究的关键点是如何准确地表征UHPC 材料中的损伤情况。一种方式是采用冲击过程中测量的峰值荷载，从而间接地描述材料的损伤程度4。这种方法可以较为简单地表征 UHPC 材料在多次冲击中的损伤，并量化地研究 UHPC 材料在损伤演变中的规律。另一种方法则是使用非线性弹塑性模型定义材料的损伤，并可以使用测量声速的方法表征材料的损伤5。这种方法在冲击结束后测量损伤，具有可重复性，可以更加稳定地得到材料的损伤情况。通过对材料的损伤进行定义，可以将材料在复杂冲击条件下的损伤统一化，从而建立进一步的损伤预测模型。此外，使用数值仿真的方法可以快速简便地对UHPC 材料的抗冲击性能进行研究。仿真条件下得到的结果和实际结果的误差较小(低于 8%)，可用于更加精确的材料和结构设计6。同时，如图 4 所示，UHPC 靶在冲击过程中先在中心发生损伤，随后逐步扩展到靶材边缘。这个过程中能够观察到冲击波、能量吸收、破坏时程等多个难以在实际中测量的实验参数7。图 4UHPC 材料动态破坏过程6 2.2抗侵彻性能冲击侵彻是实战中最常见的毁伤手段，因此，防护工程材料的抗侵彻性能是必须研究的内容。相较于传统的水泥基材料，UHPC 材料的抗多次冲击性能使得其在防护工程中具备很大优势。因此，对于UHPC 材料的抗侵彻性能研究以多次打击为主。但是，由于常规 UHPC 材料采用细骨料为主的级配设计，其抗侵彻能力提高得不够显著，在面对高速侵彻时往往开坑深度较大。因此，研究者引入了高强度粗骨料的强化模式，并使用功能梯度设计对 UHPC材料的抗侵彻性能进行全面提升。通过紧密堆积粗骨料和灌注自密实 UHPC 交替进行的制备工艺，制备出了高硬度骨料强化的功能梯度 UHPC。根据功能梯度 UHPC 层数的不同，可将功能梯度 UHPC 分为双层结构 UHPC(见图 5)和三层3防护工程2023 年结构 UHPC(见图 1)。在使用双层功能梯度设计时，功能梯度 UHPC 在受到单次侵彻时的侵彻深度相较于普通混凝土可降低 85%以上，相较于非功能梯度设计的 UHPC 靶体可降低 50%以上8，同时在开坑面积和开坑面直径等防护性能指标上也有显著提升。功能梯度设计的 UHPC 在多次侵彻后相比于其他材料具备显著优势，但是在开坑面积上的优势在数次冲击后有所缩减。因此，研究者使用三层功能梯度设计解决上述问题。如图1 所示，阻裂层将高强度骨料约束在靶体内部，减少应力波对材料表面的损伤，降低多次打击下材料表面的开坑面积，优化材料的防护性能，且不会影响单次抗侵彻性能的优势9。表 2 对比了不同类型混凝土的抗多次侵彻性能，功能梯度混凝土的抗侵彻性能是普通混凝土的 3 4 倍，是常规UHPC 的 2 倍，这种优势有利于功能梯度混凝土进一步发挥对抗复杂作战环境的能力。图 5双层功能梯度 UHPC8 表 2不同类型混凝土靶体多次侵彻深度靶体类型侵彻深度/mm第 1 次第 2 次第 3 次普通混凝土240250打穿UHPC167206223FGCC16592133FGCC261100100注:FGCC 指功能梯度 UHPC。研究者也对 UHPC 材料的侵彻毁伤理论进行了研究。相较于常规的 UHPC 材料，功能梯度UHPC 的优势在于高强粗骨料、高强纤维和高密实基体的协同效应。在侵彻过程中，高强粗骨料起到了偏转子弹的作用，并利用其极高的强度使得子弹产生更大的变形10。因此，在预测侵彻深度时需要考虑粗骨料带来的影响。另一方面，在多次打击过程中，混凝土内部的损伤同样会导致侵彻深度的变化11。因此，通过在经验公式中纳入以上 2 个要素，可以准确预测侵彻对功能梯度混凝土的破坏深度，如图 6 所示。(a)2 次侵彻结果(b)3 次侵彻结果图 6模型预测侵彻实验结果11 由于在功能梯度材料中大量使用了高强度球形骨料阵列进行强化，在侵彻过程中的弹着点对材料的侵彻深度有较大的影响。如图 7 所示，在一个紧密堆积的圆形骨料阵列中，侵彻弹体可能在球心、两球间隙、三球间隙、偏球心等位置上与陶瓷球发生接触12。研究表明，不同弹着点发挥的抗侵彻效能由高到低依次为:球心、偏球心、三球间隙和两球间隙。基于此，研究者通过建立打击概率模型，以实验和数值模拟结果为依据提出了基于侵彻弹体尺寸而变化的高强度骨料最佳尺寸方案，即陶瓷球的尺寸应尽可能提高击中单球或 3 球的概率，其具体数据以满足弹体外径/陶瓷球直径=0.154 7 或 0.732 为最佳。同时，随着高超音速武器进入各国的武器清单，需要对防护工程材料在超高速侵彻条件下的防护性能进行研究。尹雪祥等13 的研究表明，在超高速射流侵彻条件(7 000 m/s)下，功能梯度混凝土的结构可以保持完整。利用超声波进行损伤分析，侵彻前结构声速为 5 282 m/s，侵彻后结构声速为 5 054m/s，未出现显著下降，反映了功能梯度混凝土在射4第 45 卷 第 1 期赖建中，等:UHPC 防护工程材料研究进展流冲击下没有出现严重的结构损伤，能够保持良好的防护能力。在超高速射流侵彻后再次施加子弹侵彻，其破坏深度仅仅增加 10%。注:弹着点 1球心;弹着点 2两球间隙;弹着点 3三球间隙;弹着点 4偏球心图 7弹体在粗骨料上的落点12 2.3抗爆炸性能爆炸是实战条件下常见的动态冲击载荷类型。依据炸药与靶体的相对位置，区分为非接触爆炸、表面接触爆炸和埋置炸药爆炸。对于 UHPC 材料而言，由于其抗爆性能优异，非接触爆炸或表面接触爆炸往往不足以造成靶体明显的破坏，无法较好地评测其抗爆炸性能。因此，对 UHPC 靶体抗爆炸实验采用了埋置炸药爆炸的方法(见图 8)。(a)UHPC 基体(b)钢纤维增强 UHPC(c)混杂纤维增强 UHPC(d)含粗骨料 UHPC图 8UHPC 埋置炸药爆炸破坏形态14 研究发现14，在埋置炸药爆炸条件下，UHPC靶中的纤维起到关键作用。如图 8 所示，在相同埋深(50 mm)、相同药量(25 g)的情况下，未添加纤维进行强化的 UHPC 靶体完全碎裂，而添加纤维的靶体则保持完整。同时，使用多种纤维复合强化的UHPC 靶在裂缝数量、裂缝尺寸、破坏深度、表面破坏面积等多个指标上均优于单一纤维强化的 UHPC靶。这种优势来源于多种纤维的协同作用，从而优化了 UHPC 靶的抗冲击性能。另一方面，UHPC 靶体的爆炸加载过程也可以使用数值仿真技术进行还原。通过数值仿真技术，研究人员可以精准地预测材料的破坏程度，同时也能精准地观察到靶体的爆炸破坏过程，从而针对性地对靶体结构进行加强。但是由于靶体中的纤维在仿真过程中被均一化地分摊进入了材料内部，忽略了不同材料之间的界面效应，因此，材料的破坏程度会略小于实际情况。2.4抗侵彻爆炸耦合冲击性能实战中侵彻和爆炸等动态冲击往往不是单一出现。典型的武器是钻地弹，其主要毁伤效能来源于其高强度弹体带来的侵彻效应合并其携带的高能炸药。为了增强毁伤效应，还可以进行多次侵彻、爆炸的复合打击，并进一步组装成为破坏模式更为复杂的串联战斗部。这些武器的出现使破坏机理变得极其复杂，包括拉伸、压缩和剪切等多种情况，因此需要性能全面的防护工程材料进行防护15。为了获得性能优异的防护工程材料，研究人员采用了一种连续冲击的实验方法，即先采用中空弹体对靶体进行侵彻，再在侵彻留下的破坏坑底部放置炸药的方式进行实验。相较于简单的钻孔或埋置炸药，这种实验方法能够更加直接地体现侵彻过程对混凝土靶体的损伤，使得实验更加接近现实。同时，在这种耦合条件下，UHPC 作为一种具备抗多次打击性能的防护材料，能较好地应对耦合冲击带来的复杂载荷条件16。由于炸药置于侵彻破坏坑底部，为了减少爆炸带来的损伤，材料的抗侵彻能力必须得到足够的保证16。由于常规 UHPC 的抗侵彻性能相较于普通混凝土提高的程度还不能满足抵抗先进战斗部侵彻的需求，因此研究人员在 UHPC 结构中引入高强度粗骨料，有效地降低了侵彻破坏深度。同时，研究发现，如果只考虑降低侵彻深度，不考虑抗爆炸性能，那么靶体在受到爆炸冲击时会产生较为严重的破坏。为此，研究者采用了三层功能梯度靶体，以不同的厚度分别构建阻裂层、抗钻层和防塌层。如图 9 所示，这种设计既考虑到了高强度骨料对侵彻性能的极大削弱，同时又利用阻裂层和5防护工程2023 年防塌层约束了靶体的上下表面，减少了爆炸冲击带来的破坏，从而在侵彻爆炸耦合冲击时实现防护性能的最优化。实验数据表明功能梯度 UHPC 在受到侵爆耦合打击时，其破坏深度小于常规 UHPC 的1/317。(a)先侵彻后爆炸(b)先爆炸后侵彻图 9功能梯度 UHPC 侵彻爆炸耦合破坏形态17 串联战斗部是一种由前级聚能装药、后级动能侵彻体、侵彻体装药组成的射流侵彻爆炸组合毁伤性武器。在侵爆耦合的实验中，先使用金属高速射流对靶体进行冲击，可以较好地模拟串联战斗部的实战毁伤。而使用 UHPC 材料为基体的功能梯度混凝土具备良好的防护性能，并能在连续的打击中保持靶体结构的完整18。研究发现，加入陶瓷骨料或金属骨料后射流冲击的破坏深度明显降低，防护效果显著提升。同时，由于功能梯度结构对靶体的良好约束，高强骨料被紧密地固定在靶体内部，在随后的侵爆耦合打击过程中持续产生优异的防护效果。如图 10 所示，使用数值模拟方法，可以观察到功能梯度靶体的损伤情况19，并对功能梯度靶体在不同顺序下(先侵彻后爆炸/先爆炸后侵彻)的破坏进行观察。仿真结果表明，由于高强度骨料的存在，功能梯度靶体中的冲击能量主要以扩大弹坑面积的形式被吸收，而破坏深度减小。这其中，高强度骨料发挥了磨蚀弹头、分散冲击波的作用，并能在多次冲击中保持骨料阵列的相对完整。这种损伤模式能较好地保护靶体的内部结构，从而实现抗多次冲击性能。(a)侵彻(b)爆炸图 10功能梯度 UHPC 靶体侵彻爆炸数值模拟在理论研究方面，功能梯度靶体破坏深度在单一冲击中有较好的预测水平，侵彻破坏深度的预测误差在 1%以内，爆炸破坏深度的预测误差在 3%以内20。但爆炸侵彻的耦合冲击带来的复杂损伤条件给预测破坏深度带来了较大的困难。如图 11 所示，通过在经验公式中引入破坏因子的方法，可以准确地描述多次打击对靶体的破坏，从而实现对侵彻爆炸耦合冲击的精准预测，最终误差控制在 10%以内21。图 11预测侵爆耦合破坏深度模型3结论(1)UHPC 材料是一种性能优越的水泥基材料，在防护工程领域应用前景广阔。针对动载荷的应力不均匀性，使用功能梯度结构对 UHPC 材料进行强化，可以提升材料的抗冲击性能。6第 45 卷 第 1 期赖建中，等:UHPC 防护工程材料研究进展(2)UHPC 中的纤维材料在动态载荷下发挥了桥接和阻裂的作用，使得 UHPC 材料在对抗多次冲击时保持结构完整，体现良好的抗冲击性能。(3)UHPC 材料具备良好的抗侵彻性能，使用功能梯度设计的 UHPC 抗侵彻性能进一步提高。高强度骨料对弹体的破碎、偏转发挥了关键作用。(4)高强度骨料强化的功能梯度 UHPC 在对抗耦合冲击时，能够将损伤集中于靶体受冲击面，减少耦合冲击带来的损伤。参考文献 1 Lai J Z，Sun W Dynamic damage and stressstrain rela-tions of ultrahigh performance cementitious compositessubjected to repeated impact J Science in China SeriesETechnological Sciences，2010，53(6):15201525 2 Lai J Z，Sun W Dynamic mechanical behaviour of ultrahigh performance fiber reinforced concretes J Journal ofWuhan University of Technology Material Science，2008，23(6):938945 3 赖建中，孙伟 活性粉末混凝土的层裂性能研究 J 工程力学，2009，26(1):137141 4 赖建中，孙伟，戎志丹 活性粉末混凝土在多次冲击荷载下的力学行为J 爆炸与冲击，2008，28(6):532538 5Lai J Z，Sun W Dynamic behaviour and viscoelasticdamage model of ultra high performance cementitiouscomposite J Cement and Concrete esearch，2009，39(11):10441051 6 Lai J Z，Sun W，Xu S，et al Dynamic properties of reac-tive powder concrete subjected to repeated impactsJ ACI Materials Journal，2013，110(4):463472 7Lai J Z，Sun W Dynamic tensile behavior of reactivepowder concrete by Hopkinson bar experiments and 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