能源是国家繁荣和经济可持续发展的基础和支撑[1]，随着国家经济的发展，人们对矿产资源开发利用的需求量日益上升，地球浅部资源已逐渐趋于枯竭，向更深部进军是国家发展的必然趋势。目前,世界最先进的开采深度已至2 500～4 000 m，而我国大多小于500 m，千米级的深井工作势在必行[2-3]。深部地层的地质环境与浅部迥然不同，高应力、高渗透压、高地温与强腐蚀性等诸多不确定环境因素对深部工程建设提出了前所未有的挑战[4]。井筒是矿井生产的咽喉,其结构功能及安全性应该满足矿井的整个服务年限。然而作为这样重要的构筑物，要长期经受到深部地压、采矿扰动等复杂的力学作用[5]。因此，对于深部矿井井壁混凝土材料性能的研究应当是诸多工程问题的重中之重。
在深地诸多不确定因素条件下，经典的弹塑性理论和破坏准则已很难有效地判断岩石复杂的强度变化和整体破坏行为。通过热力学定律，用能量的方法能够更加清晰地解释材料的变形破坏行为。LU等[6]通过SHPB试验装置研究发现20%体积掺量的柔性颗粒或40%的刚性颗粒可以改善混凝土的能量吸收特性;SAXENA等[7]以落锤试验结果说明混凝土的吸能能力随着废物塑料骨料的增加而增加;LEI等[8]通过研究混凝土的能量耗散规律，提出了一种新的混凝土疲劳寿命预测方法。基于能量耗散方法，可以同时考虑到应力和应变情况，更加精确描述混凝土的破坏行为[9]。近些年，全球恐怖主义时刻威胁着人民的生命安全，为保证建筑物结构能够承受爆炸冲击的巨大伤害[10]，由石英砂，硅灰和均匀分布的微丝镀铜纤维等合成的活性粉末混凝土(RPC)成为一个研究热点[11-13]。同样，在深地情况下面对的是随时随地都会出现的冲击地压和复杂地质条件[14-15]。考虑到深部地下工程施工条件与C70等级已经完全满足深地工程井壁结构材料的设计标准两方面的因素，本文依据RPC100的设计理念，采用标准养护条件替代蒸养，形成一种适于深地工程的免蒸养活性粉末混凝土(NSC-RPC)材料。分析混凝土在类似深地环境中的能量、损伤特性与破坏特征对于深部地下工程建设具有重要意义，但对此却未有深入研究。
笔者研究单次或多次应力波作用下C70普通高强混凝土(NHSC)、C70钢纤维混凝土(SFRC)和NSC-RPC的破坏规律，通过计算入射能、反射能与透射能分析不同冲击速度下混凝土试块的能量差异，根据试验前后的超声波速测算试块的损伤特性，由数据拟合方法探求冲击速度、能量与损伤值间的相关关系[16]，对于深部矿井井壁建设提供了充足的理论指导，为保证矿井的安全工作具有重要意义。
1 原材料，配合比及试块成型
1.1 原材料
胶凝材料:北京金隅股份有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，28 d的抗压强度为51.1 MPa;Ⅰ级粉煤灰，细度(45 μm筛余)为6.5%;S95,S105矿粉和密度为2.2 g/cm3的硅灰。
细骨料:细度模数2.8的天然河砂;粒径2.05～0.85，0.42～0.18，0.18～0.15 mm三级的比例为1∶0.68∶0.56的石英砂。
粗骨料:5～26.5 mm连续级配的碎石。
纤维:河北轩伟钢纤维厂生产的钢丝端钩型钢纤维，安平县光跃丝网制品贸易有限公司生产的镀铜微丝钢纤维，规格见表1。
表1 纤维规格
Table 1 Fiber specifications
纤维种类抗拉强度/MPa长度/mm直径/mm钢丝端钩型钢纤维1 100600.80微丝镀铜纤维>2 850130.22
减水剂:含固量为15%的聚羧酸减水剂。
1.2 配合比
对于大体积井壁高强混凝土，在浇筑过程中内外壁温差较大，极易造成混凝土开裂和耐久性问题，运用复合型胶凝材料可以有效降低水化热，增强混凝土的各项性能[17]。随着矿井深度的增加，深部地应力也不断攀升，这对于井壁混凝土的强度等级提出新的要求，但是在混凝土强度提升的同时，也会带来另外的问题:高强度等级的混凝土更具有冲击倾向性[18]，当强度达到峰值时，会产生混凝土的“岩爆”现象。为改善这一问题，本文设计了3种均在C70强度等级左右的不同类别混凝土，配比和标准养护(20±1 ℃，95% RH)28 d后力学性能见表2。设计纤维掺量为总体积的1%，SRFC采用端钩型钢纤维，NSC-RPC采用微丝镀铜纤维。抗压强度、劈裂抗拉强度参照GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》。
表2 3种混凝土配合比和28 d力学性能
Table 2 Mix ratio and mechanical properties of three kinds of concrete
种类用量/(kg·m-3)水水泥粉煤灰矿粉硅灰石英砂河砂石子纤维28 d抗压强度/MPa28 d劈裂抗拉强度/MPaNHSC14535010060(S95)506501 07077.93.0SFRC14535010060(S95)506501 07078(端钩型钢纤维)78.75.0NSC-RPC165240200350(S105)801 25075(微丝镀铜纤维)85.88.9
1.3 试块成型
首先将石子、砂与纤维投入搅拌机中干拌2 min，然后加入水泥与矿物掺合料再搅拌2 min，最后加入水和减水剂混合物搅拌约4 min以达到期望的工作性能，总共搅拌过程为8 min，保证3种混凝土各段搅拌时间相同。出机后制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，在标准条件下养护28 d后取出，由于混凝土离散性偏大，故选择75 mm分离式SHPB进行试验。从SHPB试验中试件应力均匀化角度，设计混凝土长径比为0.8[19-20]，切割立方体试块，得到直径75 mm，高度60 mm的圆柱型试件进行试验。
2 试验方法
2.1 试验装置
试验装置为直径75 mm的SHPB系统，如图1所示，入射杆和透射杆3.5 m，泊松比0.3，弹性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，一维应力波波速为5 190 m/s。
图1 SHPB系统
Fig.1 SHPB system
试验前在试块两端涂抹润滑剂并保证表面平整，通过气压值大小控制撞击速度，由测速仪记录入射杆速度，由电脑端记录应变率图谱。由于气压无法准确控制撞击速度，每组试验应重复至少3次以上。试验前后采用康瑞科NM-4 A非金属超声检测分析仪，测试混凝土试件的超声波传播速度。混凝土的劣化程度可以通过宏观力学性能得到表征，为了对受冲击作用后混凝土试块的损伤程度进行定量描述，根据损伤力学基本理论，将超声波速v定义为损伤变量，则该损伤变量的损伤表达式为
(1)
式中，D为超声波速的损伤因子;v0为初始超声波速;v为试块受撞击后超声波速。
混凝土的应力和应变采用三波式计算:
(2)
SHPB应力波能量通过式(3)[21-22]得到
(3)
式中，A0,l分别为试件的横截面积和长度;A为输入输出杆的横截面积;ρ为杆的密度;c为一维应力波速;t为时间;εi为入射波应变;εr为反射波应变;εt为透射波应变。耗散能Wd可表示为
Wd=Wi-(Wr+Wt)
(4)
式中，Wd为耗散能;Wi为入射能;Wr为反射能;Wt为透射能。
3 试验结果及分析
3.1 混凝土受单次冲击的能量与损伤特征
由表3可知，3种混凝土的峰值应力和应变皆随着冲击速度的增加而上升。在不出现混凝土整体性破坏的状况下，3种混凝土的应变皆相近。在高速冲击作用下，混凝土微孔中的自由水增强了基体的黏聚力，同时也改变了裂纹的传播路径[23]，混凝土的强度明显提高。但是在本文中，当贯穿裂纹出现时，NHSC的动态强度略低于静态抗压强度。这可能是由于裂纹在素混凝土中发展过于迅速，导致基体瞬间破坏的结果。
图2为不同种类混凝土随着冲击速度的增加，入射、耗散能量与损伤值的变化情况。NHSC在7.47 m/s速度撞击时，损伤程度达0.146，略微提升冲击速度，混凝土随即碎裂成块。以11.09 m/s冲击速度撞击SFRC，损伤程度达0.313，但仍具有一定的完整性。在11.54 m/s的动态冲击下，NSC-RPC所出现的损伤值仍极小。这表明纤维混凝土的抗冲击能力要优于普通混凝土。NHSC只能通过沿冲击方向的单一裂纹发展耗散极少的能量，而纤维混凝土则可以以多处短裂纹的形态储存大面积的损伤。在NSC-RPC中石英砂与微丝纤维都具有极高的强度，且在混凝土中均匀分布，裂纹的发展均得到有效地阻滞，内部可储存大量细小裂纹而不导致基体整体破坏[24]。
表3 不同种类混凝土峰值应力与总应变
Table 3 Peak stress and total strain of different kinds of concrete
类型冲击速度/(m·s-1)峰值应力/MPa总应变5.1432.80.018 36.4549.30.026 36.6743.10.044 0NHSC6.9055.10.033 87.1457.60.035 67.3752.10.049 77.4754.40.050 88.6257.40.064 44.8423.00.031 05.3140.70.027 15.8443.10.032 3SFRC6.8847.70.048 77.9568.70.037 78.4681.70.030 39.94101.30.041 111.09107.50.046 94.9333.40.025 36.2345.40.035 46.7461.90.023 8NSC-RPC7.2063.10.030 68.9681.30.036 09.1681.80.027 410.3097.70.037 811.54106.20.048 0
图2 不同种类混凝土能量与损伤值
Fig.2 Energy and damage of different kinds of concrete
3种混凝土损伤程度与入射能、耗散能均存在较为明显的线性关系，这与LAI[25]对超高性能水泥基复合材料的研究具有一致性。通过拟合函数可清晰展现3者间的相关程度，Q1为耗散能；Q2为入射能；D为混凝土试件损伤值。该拟合函数的斜率可表示为单位损伤混凝土所吸入和耗散的能量，截距表示为对混凝土产生可测损伤所需要入射和耗散的能量。
3者的入射能、耗散能皆随着冲击速度的增加，保持着一致的上升速率。关于NHSC和SFRC损伤值的拟合函数的斜率和截距极为接近，而NSC-RPC的斜率则为两者的二分之一左右，说明NSC-RPC承受和耗散能量的能力是普通混凝土和钢纤维混凝土的两倍左右，且NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。Vivek[26]通过重锤试验，表明超高强纤维水泥复合材料的能量吸收和耗散能力大大优于普通纤维混凝土。虽然不同试验中混凝土配比和养护方式等有自身的独特性，但是这与本文结论仍具有一定程度的相关性。
3.2 混凝土受连续冲击的能量与损伤特征
由表4和图3可知，混凝土受多次冲击荷载作用下，峰值应力降低，应变与损伤值呈明显的上升趋势。说明受过冲击荷载并造成损伤的混凝土，黏聚力劣化，承载力下降。在NHSC不发生整体性破坏的前提下，损伤模式与SFRC相近。
表4 受多次冲击后混凝土的峰值应力与总应变
Table 4 Peak stress and total strain of concrete subjected to multiple impacts
参数NHSC1次2次3次SFRC1次2次3次NSC-RPC1次2次3次冲击速度/(m·s-1)7.347.167.749.948.2710.5410.3010.1910.51峰值应力/MPa58.852.154.797.781.570.4101.459.179.3总应变0.036 20.049 60.050 70.037 80.075 40.068 60.041 10.057 90.079 7
图3 不同种类混凝土受3次冲击后损伤值
Fig.3 Damage of different kinds of concrete subjected to three impacts
NSC-RPC面对较为低速的冲击荷载作用下，没有出现可测损伤。随着冲击速度的上升，动态荷载对混凝土的劣化程度加深，连续冲击对其造成的损伤值远远高于第1次荷载。
如图4所示，在3次应力波作用下能量耗散规律与一次应力波相似。在多次冲击下，任一混凝土所能承受的累计损伤最大值皆大于单次撞击。纤维混凝土在抵抗一次次的冲击过程中，能够通过纤维的搭接将能量均匀分摊于自身各个部位，承载和耗散巨大的能量。相比于混凝土受静态循环加载，TEPFERS等[27]和LEI等[8]发现材料的累计耗散总能量是一定的，只与材料的材质有关，SONG等[16]提出同种材料不同加载方式所耗散的总能量有很大差异性。本文的动态试验结果与他们的相似，不同种类混凝土所能承受的累计耗散能不同，不同速度和次数的冲击方式对耗散总能也有一定影响。
图4 不同种类混凝土受3次冲击后的累计能量与损伤值
Fig.4 Cumulative energy and damage of different kinds of concrete subjected to three impacts
相较于3.1节中各种类混凝土斜率的3倍值，NHSC出现非常明显的下降行为，SFRC有小幅度降低，而NSC-RPC基本保持不变。说明3种混凝土受连续冲击作用，NHSC的劣化情况非常严重，冲击能量对于该混凝土的承载力削弱效果极其明显。细长钢纤维的掺入可以有效应对多次冲击作用，将入射能量分散于基体各部，充分利用混凝土整体的黏聚力，不易产生承载力突然丧失的现象。NSC-RPC为一种基体黏聚力极强[28]，微细超强钢均匀分布的混凝土材料，在一定冲击能量范围内的多次的冲击行为基本无法弱化其承载力。
3.3 典型种类混凝土抗冲击性能对比分析与讨论
混凝土受冲击作用，子弹携带的能量触及混凝土一侧，由于可恢复的弹性变形原因，一部分能量随即以相反的方向反射回去，剩下的巨大能量则进入混凝土内部，此部分能量以弹性势能的方式迅速穿过试件，其积聚的弹性势能超过了试件的单元表面能时[29-30]，材料发生破裂耗散一部分能量，剩余的弹性能以碎裂块体的动能和爆炸声波等方式[31]释放出来。由于NHSC的高强度等级，在其内部可以积聚大量的弹性能，突然释放的瞬间所造成的破坏不可忽视。在SFRC中，纤维可以阻滞裂纹的发展，将裂纹分割为多个方向传播[32]。NSC-RPC在内部可以积存更多的裂缝，且微丝镀铜纤维具有极高的强度，依靠纤维变形和拔出的耗能方式所耗散的能量是基体开裂的数倍[33]。因此本文中NSC-RPC所展现的抗冲击能力大大优于SFRC和NHSC，其中SFRC略优于NHSC。
本文是以相同冲击速度范围内的3种混凝土应力应变，能量及损伤特征的研究角度，比较不同种类混凝土的抗冲击能力的差异性。结果表明，处于受复杂地质条件影响的深地服役环境中NSC-RPC井壁相比于NHSC和SFRC更具有优势。在综合考虑围岩等因素的条件后，建议在矿井较浅部区域采用不同强度等级的纤维混凝土，在超深部井筒以及马头门、箕斗硐室等关键部位应用NSC-RPC。
4 结 论
(1)不同种类混凝土的应力应变、能量与损伤值皆与冲击速度呈正相关。纤维混凝土可以在自身内部储存大量裂纹，以耗散冲击能量。NSC-RPC的耗能能力是NHSC和SFRC的2倍左右，且NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。
(2)多次冲击荷载使得混凝土承载力弱化，具体表现形式为峰值应力降低，应变和损伤值增大。连续多次冲击作用对NSC-RPC造成的劣化行为最小。
(3)NSC-RPC的抗冲击能力大大优于NHSC和SFRC，将NSC-RPC应用为深部井壁以及关键部位结构材料更具有优势。
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