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活性粉末混凝土冲击压缩性能的多维度研究：实验、理论与工程应用

一、研究背景与现状

（一）研究意义与工程价值

活性粉末混凝土（RPC）作为一种新兴的超高性能建筑材料，近年来在土木工程领域备受瞩目。它通过创新的制备工艺和材料组成，具备了超高强度、低脆性、高耐久性以及环保等诸多卓越特性，抗压强度可达200-800MPa，抗折强度为20-100MPa，断裂能2000-40000J/m2，在桥梁、隧道、防护结构等各类工程中展现出广阔的应用前景。在桥梁建设中，RPC可用于制造桥梁的关键受力部件，如桥墩、桥面板等，其超高强度和耐久性能够显著延长桥梁的使用寿命，减少后期维护成本，同时，低脆性特性增强了结构在复杂受力条件下的安全性。

在实际服役环境中，RPC结构常常会承受撞击、爆炸等动态载荷的作用。在一些交通枢纽的桥梁结构中，可能会遭受车辆的意外撞击；在军事防护工程中，RPC防护结构则需要抵御爆炸冲击等极端荷载。这些动态载荷下，RPC的冲击压缩性能就成为了决定结构安全性和可靠性的关键因素。如果RPC在冲击压缩下的性能表现不佳，结构可能会出现严重的破坏甚至倒塌，从而导致人员伤亡和巨大的经济损失。

然而，目前关于RPC的研究大多集中在准静态力学性能方面，对于其在动态载荷下的力学行为，尤其是应变率效应与静水压力效应的耦合作用机制，缺乏深入系统的解析。这就导致现有的本构模型难以准确地预测RPC在复杂动态载荷下的力学行为，使得在工程设计中无法为RPC结构提供精确的理论指导。因此，开展对RPC冲击压缩性能的系统研究，深入揭示其在动态载荷下的力学响应机制，对于填补工程应用的理论空白，推动RPC在实际工程中的广泛应用，具有至关重要的意义。

（二）国内外研究现状与挑战

国内外众多学者对RPC的性能开展了丰富的研究。在材料特性研究方面，深入剖析了RPC的超高强度来源，发现通过去除粗骨料、优化颗粒级配以及热养护等措施，显著减少了材料内部的缺陷，提高了基质的匀质性，从而大幅度提升了强度。掺入微细钢纤维则有效克服了高强混凝土的脆性，增强了其抗拉、韧性和变形性能。

在冲击性能研究领域，诸多学者利用分离式霍普金森压杆（SHPB）等装置对RPC进行冲击压缩实验，取得了一系列成果。研究发现，RPC的冲击压缩性能受到多种因素的影响。钢纤维含量对其性能有着显著作用，适量增加钢纤维含量能够有效提升RPC的韧性和抗冲击能力；加载速率不同，RPC的力学响应也有所差异，随着加载速率的提高，材料的强度和变形特性会发生变化。然而，目前对于这些因素影响RPC冲击压缩性能的具体规律，尚未形成统一且明确的认识。

现有研究中，传统混凝土冲击性能研究存在将应变率效应与惯性引起的静水压力效应混淆的问题，导致高估了应变率对材料性能的影响。而RPC由于其微观结构致密、含有钢纤维增强等独特特性，使得它在动态载荷下的响应机制更为复杂。在冲击压缩过程中，横向惯性效应会导致材料内部静水压力发生变化，进而影响材料的强度和破坏模式，且这种影响与应变率效应相互交织，增加了研究的难度。

在本构模型方面，目前缺乏能够充分考虑RPC横向惯性效应的本构模型。现有的本构模型难以准确描述RPC在高应变率工况下的力学行为，这在很大程度上制约了RPC在承受冲击、爆炸等动态载荷工程中的设计和应用。例如，在防护结构设计中，由于无法准确预测RPC在爆炸冲击下的响应，可能导致设计的防护结构无法满足实际防护需求，存在安全隐患。因此，如何准确区分应变率效应和静水压力效应，建立更为完善的考虑横向惯性效应的RPC本构模型，成为当前研究面临的重大挑战。

二、实验研究：基于SHPB技术的动态响应分析

（一）实验设计与方法优化

1.试件制备与参数控制

为了深入研究钢纤维含量对活性粉末混凝土（RPC）冲击压缩性能的影响，精心制备了钢纤维体积含量分别为0%、1.5%、2.0%的RPC试件。在原材料的选择上，选用了高标号水泥，以提供高强度的基础；剔除了粗骨料，并添加了超细矿物掺合料，如硅灰和超细粉煤灰等，它们能填充水泥颗粒之间的空隙，优化颗粒级配，显著增加混凝土的密实性和均质性。通过掺加高效减水剂，大幅度降低了水灰比，使得水泥浆体更加致密，进一步提高了RPC的强度和耐久性。

在钢纤维的添加过程中，严格控制钢纤维的粒径分布，确保其在RPC基体中均匀分散。钢纤维的长度和直径的合理搭配，对于增强RPC的韧性和抗冲击能力至关重要。在搅拌过程中，采用了先进的搅拌工艺，延长搅拌时间并优化搅拌顺序，先将水泥、矿物掺合料和砂等干料充分搅拌均匀，再加入水和减水剂搅拌成均匀的水泥浆体，最后加入钢纤维进行搅拌，保证钢纤维均匀地分布在RPC基体中。

试件成型后，严