自密实混凝土板在工业、再生及混合钢纤维增强下的落锤冲击响应研究

《Infrastructures》：Drop-Weight Impact Response of Self-Compacting Concrete Slabs Reinforced with Industrial, Recycled and Hybrid Steel Fibres

　　

本研究对比分析了采用工业钢纤维（ISF）、再生轮胎钢纤维（RSF）及二者混合（ISF–RSF）增强的自密实混凝土（SCC）板在落锤冲击荷载下的响应。研究共测试了四块1200 × 1200 × 100 mm的板，龄期为28天，分别为素SCC板、掺90 kg/m3 ISF的板、掺90 kg/m3 RSF的板以及各掺45 kg/m3 ISF与RSF的混合纤维板。试验中，一枚105 kg的落锤从4.0 m高度释放（名义势能4.12 kJ）。研究人员记录了损伤形态、底面平均挠度、接触力及局部加速度。结果表明，素混凝土板发生贯穿破坏并出现背面剥落；而在所研究的条件下，所有纤维增强板均未出现上述破坏模式。ISF板表现出最小的峰值及最终残余平均挠度，而混合纤维板峰值挠度最大，RSF板最终残余挠度最大。峰值接触力分别为：ISF板285.83 kN，混合纤维板256.52 kN，RSF板258.00 kN，而素SCC板仅为110.00 kN。由于每种配合比仅对应一块试板且基体组成存在差异，上述比较仅具有描述性，未能单独分离纤维类型的影响，亦不足以确定能量吸收能力或设计取值。

论文解读：自密实混凝土板在工业、再生及混合钢纤维增强下的落锤冲击响应

一、研究背景与问题

混凝土基础设施在服役期间除承受静载和循环荷载外，还可能遭受意外冲击作用。海洋与近海工程结构尤其需要关注局部冲击对结构连续性的潜在威胁。混凝土板在冲击荷载下的响应取决于荷载条件、配筋方式以及局部损伤与整体变形之间的相互作用。素混凝土因拉伸变形能力有限，在冲击作用下易发生脆性开裂。离散纤维能够在裂缝发展过程中跨越裂缝面传递拉应力，从而改善混凝土开裂后的变形与损伤扩展行为。纤维的效果受其几何形状、掺量、取向、分布、粘结性能以及周围混凝土基体性质的共同影响。

再生钢纤维（RSF）来源于废旧轮胎回收，可作为工业钢纤维（ISF）的替代方案。已有研究涉及RSF的腐蚀敏感性、纤维分布与取向、基于取向的后开裂拉伸行为数值模拟以及与玄武岩纤维增强聚合物筋在海水暴露后的粘结性能等，但这些研究分别关注复合材料性能的不同侧面，并未独立建立结构抗冲击性能。混合纤维体系同时包含工业纤维与再生纤维，但其协同效应需要试验验证而非仅凭两种纤维共存而推定。环境效益同样需要明确评估边界，无法仅由冲击试验确定。

既有冲击试验方法包括小尺寸试件的重复落锤试验和结构构件的仪器化冲击试验。重复落锤试验关注损伤累积，而结构板冲击试验可同时记录接触力与变形响应。本研究所采用的试验属于专用结构落锤试验，其结果依赖于支承条件、落锤几何形状、传感器响应及数据处理流程。

二、研究内容与结论

本研究对比了四块1200 × 1200 × 100 mm自密实混凝土（SCC）板在28天龄期时的落锤冲击响应，试板分别为：素SCC板、掺90 kg/m³ ISF的板（R0-I90）、掺45 kg/m³ ISF与45 kg/m³ RSF的混合纤维板（R45-I45）以及掺90 kg/m³ RSF的板（R90-I0）。所有纤维增强配合比的总纤维质量掺量均为90 kg/m³，因此本研究是对固定总质量掺量下不同增强体系的比较，而非纤维总掺量的参数研究。试验采用105 kg落锤从4.0 m高度释放，名义势能为4.12 kJ。

主要结论如下：素SCC板在冲击点发生贯穿破坏，伴随正面剥落、背面剥落及向边缘延伸的径向裂缝；三种纤维增强板均未出现贯穿或背面剥落，仅产生以径向裂缝为主的损伤模式，表明纤维增强在所述试验条件下能更好地约束局部破坏。ISF板表现出最小的峰值平均挠度（38–39 mm）和最终残余挠度（3.5–4.0 mm）；混合纤维板峰值挠度最大（42–43 mm），但残余挠度仅5–6 mm；RSF板峰值挠度为39–40 mm，最终残余挠度最大（13–14 mm）。峰值挠度与残余挠度的排序不一致。纤维增强板的峰值接触力均显著高于素SCC板：ISF板285.83 kN、混合纤维板256.52 kN、RSF板258.00 kN，素SCC板仅110.00 kN。ISF板局部加速度幅值最大（?780.26 g），混合纤维板次之（?710.25 g），RSF板最小（?552.62 g），素板为?296.79 g。

三、主要技术方法

研究人员采用以下关键技术方法开展研究：

试验装置与加载系统：采用米尼奥大学设计的落锤冲击装置。105 kg落锤由电动起重机提升至4.0 m名义高度，通过400 kg容量电磁铁断电释放。落锤内嵌1000 kN荷载传感器记录接触力响应。

试件与支承条件：每块1200 × 1200 × 100 mm板搁置于1000 × 1000 mm方形周边支承上，支承由60 mm直径圆柱钢构件组成，板四周超出支承线100 mm。16个周边位置通过螺纹杆、螺母和垫圈约束，边界为机械约束而非理想简支。

测量系统：五个LVDT（±50 mm）以十字布置于板底面（0, 0）、（±200, 0）和（0, ±200）mm位置，记录底面位移，报告挠度为五个通道的等权平均值。局部加速度由距冲击中心300 mm处的标称±10,000 g加速度计记录。所有通道以100 kHz采样并对齐至冲击起始时刻。

材料体系：水泥采用CEM I 52.5 R（Secil，葡萄牙波尔图），细骨料和粗河砂（最大粒径2.4和4.8 mm，Unibet?o，葡萄牙布拉加），碎石花岗岩（12.5 mm），F级粉煤灰和石灰石填料（Sameca Produtos Químicos S.A.，葡萄牙波尔图），聚羧酸醚高效减水剂（Glenium SKY 617，Master Builders Solutions），自来水。端钩形ISF由Spaji? d.o.o.（塞尔维亚内戈廷）供应，轮胎衍生RSF来源于葡萄牙某轮胎加工厂（RETIRE S.A.，希腊兹拉马）。RSF的纤维长度和直径统计来自100根随机取样纤维，平均长度33 mm（变异系数38%），平均直径0.38 mm（变异系数40%），平均长径比91（变异系数40%）。水胶比（水/(水泥+粉煤灰)）约为0.329。纤维增强配合比28天圆柱体抗压强度分别为66.10、63.45和60.03 MPa，静态弹性模量分别为31.41、30.33和30.00 GPa。

四、研究结果

4.1 损伤与结构响应

素SCC板在冲击点发生贯穿破坏，伴随正面剥落、背面剥落及向边缘延伸的径向裂缝，证实了严重的局部破坏。ISF板底面出现径向裂缝，中心附近宽度约0.4 mm，向边缘方向最大报告宽度达10 mm，未发生贯穿或背面剥落。混合纤维板和RSF板同样避免了上述局部破坏模式，但形成了不同的径向裂缝形态，报告最大裂缝宽度为9 mm。最小平均挠度并不必然对应最小最大裂缝宽度。

4.2 挠度–时间响应

素SCC板因贯穿破坏无法获得可靠的冲击后位移历史。三种纤维增强板的平均底面挠度响应均表现为快速上升后伴随振荡，最终趋于残余水平。ISF板峰值平均挠度最小（38–39 mm），最终残余挠度亦最小（3.5–4.0 mm）；混合纤维板峰值最大（42–43 mm），残余5–6 mm；RSF板峰值39–40 mm，残余13–14 mm。瞬态位移与最终变形的排序不一致。

4.3 接触力–时间响应

落锤内置荷载传感器记录了冲击头传递的接触力。峰值接触力为：素SCC板110.00 kN，ISF板285.83 kN，混合纤维板256.52 kN，RSF板258.00 kN。混合纤维与RSF的峰值差仅1.48 kN，在缺乏校准测量不确定度或重复试验的情况下无法进行有意义的排序。素板峰值较低与其更严重的破坏相容，峰值接触力本身并非强度、刚度或能量吸收的度量。RSF板的荷载传感器信号在主脉冲后仍保持约90 kN的平台，远大于落锤自重约1.03 kN，可能原因包括持续接触、惯性响应或基线漂移，但归档数据无法区分这些机制，因此仅采用主脉冲和峰值进行比较。

4.4 局部加速度响应

距冲击中心300 mm处记录的局部加速度响应反映局部波传播、振动以及接触和开裂过程。报告的主导负峰值分别为：素板?296.79 g，ISF板?780.26 g，混合纤维板?710.25 g，RSF板?552.62 g。素板较小的加速度幅值并不表示更优的抗冲击性能，因其同时发生了贯穿和背面剥落。ISF板加速度幅值最大但平均挠度最小，二者并不矛盾：加速度在单点测量，而挠度为五个底面位置的平均值。加速度与接触力的排序亦不一致。

五、讨论与结论

讨论

在4.12 kJ名义释放能量下，素SCC板发生贯穿和背面剥落，三种纤维增强板仅出现径向裂缝而无上述局部破坏模式，这是所测条件下的直接观察结果。纤维桥接和碎块约束是可能的机制，但均未直接测量，不能推断通用贯穿阈值。混合纤维板峰值挠度大于RSF板但残余挠度更小，ISF板峰值和残余挠度均最小。纤维锚固、拔出、裂缝闭合及不同胶凝材料组成可能影响峰后行为，但数据无法分离这些效应或证明混合纤维协同作用、更大弹性恢复或残余刚度。

等质量纤维并不等于等纤维数量、等效截面积、取向或裂缝桥接能力。文献中报道的CT结果来自独立的小尺寸试件而非本冲击板，无法量化冲击点附近的纤维取向、团簇或局部集中。纤维分布和配合比相关的基体强度（66.10、63.45和60.03 MPa）可能共同影响裂缝萌生和变形。因此，观察到的排序描述的是整个配合比体系而非纤维来源的孤立效应。

局限性

仅测试四块板，每种配合比仅一块，结果属于试件级观察而非总体估计或统计显著排序。伴随压缩试验每种增强配合比三个圆柱体，强度变异系数为1.03–1.31%，表明伴随圆柱体强度离散有限，但不能确立结构冲击重复性。仅有近似坍落扩展度值，缺乏完整的新拌SCC性能鉴定和冲击区纤维取向数据。纤维分布、基体组成、取向和支承条件的变化仍属未受控变量。实际冲击和回弹速度及落锤与板之间的相对接触位移均未测量，无法从力迹线和空间平均挠度重建能量平衡。数值释放能量并非实测吸收能量，结果不能确定冲量、动态断裂能、冲击后刚度或残余承载能力。

结论翻译

在28天龄期对四块SCC板进行了105 kg落锤从4.0 m高度释放的冲击试验，对应名义4.12 kJ释放能量。以下结论适用于特定试件和试验布置：

素SCC板发生贯穿破坏并伴随背面剥落；三种纤维增强板均未出现上述破坏模式。所有纤维增强试件以径向裂缝为主，表明在所研究条件下能更好地约束局部破坏。

ISF板的峰值和最终残余底面平均挠度最低（38–39 mm和3.5–4.0 mm）。混合纤维板峰值最大（42–43 mm）但残余仅5–6 mm，RSF板最终残余挠度最大（13–14 mm）。峰值与残余变形排序不同。

纤维增强板的瞬态接触力峰值大于素SCC板；但接触力和局部加速度反映的是动态相互作用而非吸收能量或残余强度。RSF荷载传感器持续平台尚未解析，已排除在定量解释之外。

观察结果表明轮胎衍生和混合钢纤维在限制严重局部损伤方面具有潜力，但单试件设计、不同基体、不完整SCC鉴定和缺失校准记录排除了纤维类型的因果排序、通用贯穿阈值和设计建议。需要进行重复的、匹配基体的试验并配合完整的能量和不确定度评估。