0 引言

混凝土是目前应用最广泛的建筑工程材料^[1]。但由于其存在抗拉强度低、韧性差、易开裂等缺点，在冲击、冻融循环和氯盐侵蚀等复杂环境下，传统混凝土面临巨大挑战^[2-3]。因此对受损后的混凝土构件进行有效的修复加固以延长其使用寿命变得至关重要^[4-5]。

工程水泥基复合材料(ECC)是一种具有超高韧性的水泥基复合材料，具有应变硬化特性^[6-7]，极限拉应变可达到3%以上，还具有优异的抗裂性、韧性^[8]和多点开裂性能^[9]，因此ECC在工程修复加固领域具有重要作用。Zhou等^[10]发现ECC作为加固层，可有效解决混凝土结构的耐久性问题。谷音等^[11]发现ECC可明显改善桥墩的破坏形态，控制裂缝的宽度和发展，使整体表现出良好的延性和耗能能力。近年来国内外学者对ECC加固材料的力学性能研究集中于静态，对动态冲击荷载下的研究相对较少。李艳等^[12]发现PVA纤维可有效改善PVA-ECC试件的冲击破坏程度；PVA-ECC的动态峰值应力、峰值应变和韧性均随应变率增加而明显提高，表现出较强的应变率效应。Zhong等^[13]使用RTP纤维替代部分PVA纤维制备地聚物基ECC，发现该混杂纤维模式下控制裂纹的能力得到增强。但ECC拌和物黏性普遍较大，不易施工，开展喷射工艺的研究有助于推广ECC、快捷施工并及早发挥加固作用，也符合绿色经济的理念^[14]。喷射混凝土是一种特种混凝土，通过高压气体泵将混凝土输送至喷头处和速凝剂混合，再以较高速度喷射于工作面，并能快速凝结硬化。与普通浇注混凝土相比具有较高的早龄期强度，但孔隙率较大，水化产物易沉积。因此，现有浇注混凝土/ECC的研究成果不能完全适用于喷射混凝土/ECC。

此外，加固后建筑物难免会遭受地震、爆炸等荷载的循环作用，将会使加固材料内部形成累计损伤，从而影响加固结构稳定性，因此研究循环冲击作用下修复加固材料的动力特性对结构工程高效加固具有重要的指导意义。李夕兵等^[15]发现，混凝土在其临界入射能75%水平的冲击条件下，第1次冲击有助于提高混凝土的抗压强度，之后随着冲击次数增加，混凝土的抗压能力、变形能力均变弱。魏周森等^[16]发现相同冲击速度与轴压荷载作用下，冲击次数越多，试件的峰值应变与应变率上升，峰值应力与动弹性模量下降。付安琪等^[17]发现随等能量循环冲击次数的增加，大理岩的动态峰值应力降低，弹性模量基本呈线性衰减。目前针对混凝土循环冲击力学特性的研究相对ECC方面较为完善，而ECC作为超具潜力的加固材料，进一步探索喷射型工程水泥基复合材料(SECC)的动力特性具有重要理论和工程意义。

综上，本研究开展了压缩和劈裂两种冲击方式下SECC的循环冲击试验，分析了应力-应变曲线、变形和能量演化特征、疲劳损伤破坏特征，详细探究了各物理量的变化规律，并建立循环冲击动力学特性预测模型。研究有助于进一步完善SECC动力学性能研究成果，为其加固工程应用夯实基础。

1 试验 1.1 原材料、配合比与试件制备

参照现有研究成果^[18-19]，SECC的配合比见表 1，使用相同原材料制备试件。胶凝材料包括P.O 42.5普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰和改性脱硫石膏。骨料采用最大粒径为1.7 mm的机制砂。膨胀剂采用HCSA混凝土膨胀剂。减缩剂(SRA)采用SRA(Ⅰ)混凝土减缩剂。减水剂采用PCA-1高性能聚羧酸液体减水剂。纤维采用混杂纤维模式，包括1%体积掺量的PVA纤维和1%体积掺量的PP粗纤维^[18-19]。

试件均采用喷射法制备，制备流程参考文献[18-19]。最终制备12个Φ50 mm×25 mm的圆柱形试块，以6个试件为一组，分别进行循环冲击压缩试验和劈裂试验。先去除误差较大的3个试件，取剩余3个试件测值的算术平均值作为一组试件的最终试验结果。

1.2 试验设计

本试验工程应用背景为爆炸、冲击地压等带来的荷载，利用Φ50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)开展圆柱体试件的冲击试验(见图 1)。

压杆及冲头为合金钢，密度为7.8 kg/m³；弹性模量为210 GPa；纵波波速为5 190 m/s。试验数据是通过入射杆和透射杆上的应变片采集脉冲信号，最后由动态应变测试系统将脉冲信号转化为应变信号。冲击试验的应力、应变和应变率可根据式(1)进行计算。试验前在试件两端涂抹凡士林，使试件与压杆紧密接触。使用简易波形整形器，以减小波传播过程的弥散效应。

(1)

式中，σ，ε，分别为试件的应力、应变、应变率；E, A, C分别为压杆的弹性模量、横截面积、波速；A_s和L_s分别为试件的初始横截面积和初始长度；ε_i，ε_r，ε_t分别为入射应变、反射应变、透射应变。

循环动态压缩试验采用等幅加载方式，通过0.4 MPa气压循环冲击，直至试件破坏停止；循环动态劈裂试验采用等幅加载方式，通过0.25 MPa气压循环冲击，直至试件破坏停止。

1.3 分析原理

SHPB试验中，一般不采用基于热力学第二定律的计算方法，而是利用入射和透射压杆的应变变化来计算入射波、反射波和透射波所具有的能量，并利用三者之间的关系计算试件所吸收的能量。4种能量及其能量转化率^[20]为：

(2)

(3)

式中，U_i，U_r，U_t分别为入射波、反射波、透射波所具有的能量；U_a为试件所吸收能量，也可以称为耗散能量^[20]；σ_i，σ_r，σ_t分别为入射应力、反射应力、透射应力；EC_x为某种能量的转化率；U_x为反射能、透射能和吸收能。

为展现动态试验的能量演化过程，采用EC_r=U_r/U_i，EC_t=U_t/U_i，EC_a=U_a/U_i这3个指标来表征。当进行循环冲击试验时，进行变形和能量分析，该数据可通过对比单次试验结果获得。需计算动态疲劳损伤变量，其中变形损伤变量定义为第n次循环冲击下的累积极限应变与最终破坏时累积极限应变之比；能量损伤变量定义为第n次循环冲击下的累积吸收能与最终破坏时累积吸收能之比^[21]。

2 结果与分析 2.1 动态循环压缩试验 2.1.1 应力-应变曲线及压缩破坏形态

循环冲击压缩试验下试件的5次应力-应变曲线见图 2(a)，5条曲线形状相似，且均可划分为3个阶段。可明显看出随着循环次数增加，应力-应变曲线由窄变宽，峰值应力、弹性模量快速降低，但峰值应变保持增长趋势，试验结束点的应变也保持明显增长趋势，该试验结果与谢磊等^[22]的研究一致。在多次冲击过程中，试件内部结构遭到了破坏，形成了大量裂纹。这些裂纹随着冲击次数的增加而逐渐扩大、贯穿最终导致宏观力学性能的劣化，这主要表现在混凝土的峰值应力降低。前2次循环冲击后试块内部产生了较多的微裂缝，在冲击作用下，试件内部的微裂缝逐渐闭合，到达峰值应力后应力迅速下降，应力-应变曲线呈现脆性行为。这是因为到达峰值时，已远超过纤维和基体间的结合力，而纤维加入试样产生的缺陷导致基体迅速脆化。但随着冲击次数的增加，弹性模量持续降低，试件内部裂纹贯通，使得试件强度降低。循环冲击气压不变，加载时间极短，没有足够的时间积累能量，只能通过增大应变来抵消外部能量，因此产生更多的微裂纹，进而导致第2阶段的应变硬化现象持续增强，并且2次冲击后，SECC已经压扁，近似塑性，因此破坏阶段无明显的脆性破坏^[22]。

通过分析循环冲击压缩下SECC的应力-应变曲线，归纳出4种典型应力-应变曲线演化特征，用于描述SECC试件在动态循环冲击下应力-应变曲线的演化规律，如图 2(b)所示。第1次和第2次压缩对应曲线a，具体特征为弹性模量大，应变硬化区域短，应力释放快；第3次和第4次压缩对应曲线b和c，具体特征为弹性模量降低，应变硬化区域增大，应力释放减缓；第5次压缩或最终破坏的一次，对应曲线d，具体特征为峰值应力最小，峰值应变最大。此外图中曲线的第1个转折为线性和塑性阶段的分界点，第2个转折为塑性和破坏阶段的分界点，第3个转折为破坏阶段出现应变软化现象的起点。

循环冲击压缩试验下试件的损伤破坏状态及其破坏裂纹标注如图 3所示。损伤破坏程度随循环冲击次数的增加而增大。第1次冲击后，SECC表面没有产生明显的微裂纹；第2次冲击后，裂纹主要分布在试件的边缘位置，形成环向裂纹；第3次冲击后，边缘裂纹开始向内部扩展，表面中部整体凹陷；第4次冲击后，裂纹数量和宽度明显增加，在试件非中心位置出现横向贯通裂纹，边缘环向裂纹向内整体扩散；第5次冲击后，试件横截面已经无法维持圆形，边缘位置出现小块脱落，表面多条裂纹汇聚贯通，试件已完全破坏，但仍裂而不散，具有较好的完整性。这说明SECC能够在多次循环冲击下，仍能较好的维持自身稳定性，有效减小冲击能量对支护结构的动力扰动。

2.1.2 变形和能量演化特征

变形特征指标采用峰值应变和极限应变，动态循环压缩试验下试件的变形行为特征如图 4所示，拟合方程见表 2。由图 4可知，峰值应变和极限应变都保持上升趋势。其中峰值应变变化规律，与循环次数呈现明显指数函数关系。从第2次循环开始，峰值应变分别增加了0.002，0.002，0.005，0.008，因此峰值应变变化曲线走势可分为2个阶段，即第1~3次循环(稳定波动阶段)和第4~5次循环(稳定上升阶段)。极限应变变化不规律，整体呈现线性关系，但其变化曲线走势可分为3个阶段，即第1~2次循环(缓慢上升阶段)，增量为0.003；第2~3次循环(快速上升阶段)，增量为0.033；第3~5次循环，增量为0.004 5左右。相比第1次冲击，最终破坏时极限应变增长了185.77%，峰值应变增长了91.05%。这说明多次冲击后，SECC的强度明显降低，但却呈现出更好的延性。这是因为SECC逐渐被压扁，近似塑性，试件承载力下降，但输入能不变，因此只能靠提高应变来抵消能量。这也说明SECC能在冲击荷载作用下提供柔性变形空间，有助于为待加固层在冲击应力下提供所需要的柔性空间^[23]。

能量特征指标采用试验结束点的不同能量转化率，动态循环压缩试验下试件的能量特征见图 5，拟合方程见表 3。由图可知，不同能量转化率与循环次数均呈现明显的指数函数关系，拟合效果良好，相关系数大于0.8。其中反射能转化率持续上升，但增长量整体保持下降趋势，从10.5%下降至6%，第4次循环时增长量为7%，高于第3次和第5次循环，但仅相差10%左右，属于正常误差。吸收能转化率和透射能转化率持续下降，变化趋势也相似，可归纳为3个阶段，即第1~2次循环(快速下降阶段)变化量分别为7.4%和3%；第2~4次循环(稳定波动阶段)变化量稳定在1%和5.5%左右；第4~5次循环(缓慢下降阶段)变化量分别为5%和0.6%。相比第1次冲击，最终破坏时反射能转化率提高了55.81%，而吸收能和透射能转化率降低了63.94%和62.36%。这说明随着循环次数增大，试件吸收和透射能量更少，但反射能量更多，这是因为循环冲击使得受力面积增大，但内部已经形成大量微裂纹，能量波传播到这些薄弱位置时，会因为波阻抗发生突变而导致更多能量被反射。这也是SECC能在多次循环冲击下仍保持较好完整性的原因。这说明SECC能为冲击荷载作用下的能量释放提供柔性缓冲空间，有助于为待加固层在冲击应力下的动力能量释放提供柔性缓冲空间^[23]。

2.1.3 疲劳损伤破坏特征

在循环冲击作用下，试件必然因疲劳冲击损伤累积效应而产生不可逆的塑性变形并伴随着耗散能^[24]。当累积塑性变形和累积耗散能分别达到试件本身所能够承受的最大变形和最大耗散能时，试件将发生损伤破坏，在SHPB试验中，经常将吸收能作为耗散能。损伤变量演化曲线如图 6所示，拟合方程见表 4。

两种损伤变量演化规律相似，具有较好的指数函数关系，拟合效果良好，相关系数大于0.8。其中基于变形特征的损伤变量呈现上凹形，而基于能量特征的损伤变量呈现上凸形，杨荣周等^[25]发现柔性支护材料基于变形的损伤变量为线性上升趋势，基于能量特征的损伤变量同样呈现上凸形的指数函数关系，与本研究损伤变量的变化趋势大体一致。与此同时，第1次循环下，基于能量特征的损伤变量为0.300 2，而基于变形特征的损伤变量为0.098 6。在后续循环中，基于能量特征的损伤变量普遍高于变形特征下的损伤变量，这与静态循环试验的结果不同，可能是因为在冲击试验中，大多直接采用试件吸收能量作为耗散能。试件的变形损伤和能量损伤均随循环冲击次数的增加而增加，其中变形损伤变化曲线走势可分为2个阶段：第1~2次循环(缓慢上升阶段)增量为0.11；第2~5次循环(快速上升阶段)增量为0.25~0.28之间，每次循环增量均为0.02左右。能量损伤变化曲线走势规律，保持缓慢上升，但增量保持下降趋势，从0.24降低至0.11，单次增量下降为0.05左右。第5次冲击试验后，2种损伤变量分别提高了913.19%和233.11%。

2.2 动态循环劈裂试验 2.2.1 应力-应变曲线及劈裂破坏形态

动态循环劈裂试验采用等幅加载方式，通过0.25 MPa气压循环冲击，直至试件破坏停止。循环冲击压缩试验下试件的3次应力-应变曲线见图 7(a)，3条曲线形状相似，且均可划分为3个阶段。可明显看出随着循环次数增加，应力-应变曲线由窄变宽，峰值应力、弹性模量快速降低，但峰值应变保持增长趋势，试验结束点的应变也保持明显增长趋势，试验结果与动态循环压缩试验结果相似。多次冲击过程中，曲线差异最大的是第2阶段和第3阶段，第2阶段是塑性阶段，即应变硬化现象所在阶段，由图可以看出，第1次冲击时，应变硬化的持续时间最短，而第2次和第3次冲击时，应变硬化区域明显增大，这也是应力-应变曲线变宽的原因。第3阶段是破坏阶段，第1次冲击时，应力释放相对较快，但前期下降较缓慢，这可能是因为基体中乱向分布的纤维所形成的“桥联”作用有效延迟试件主裂缝的快速扩展，这也是单调劈裂试验破坏阶段有波动现象的原因。在第2次和第3次冲击时，应力释放速率明显变缓，并且在1次劈裂冲击后，SECC中部位置已出现明显裂纹，近似塑性，因此破坏阶段无明显的脆性破坏，这也是第2次和第3次冲击的应力-应变曲线形状相似的原因。

根据图 7(a)可以归纳出3种典型应力-应变曲线演化特征，用于描述SECC试件在动态循环劈裂下应力-应变曲线的演化规律, 如图 7(b)所示。随着循环劈裂次数增加，弹性模量、峰值应力显著降低，而峰值应变增大，且第2阶段区域增大，而第3阶段下降速率保持降低。此外图中曲线的第1个转折为线性和塑性阶段的分界点，第2个转折为塑性和破坏阶段的分界点，第3个转折为破坏阶段出现爆裂现象的起点。

循环冲击劈裂试验下试件的损伤破坏状态及其破坏裂纹标注见图 8，其破坏程度和中心位置主裂纹宽度随循环冲击次数的增加而增大。第1次劈裂冲击后，试件中部横向形成大量贯通微裂纹，冲击位置被压扁，并非第1次冲击前的圆弧；第2次劈裂冲击后，主裂纹宽度增大，肉眼可见纤维，入射位置作为裂纹扩展起始点，破坏程度更大，形成类似三角形的开裂区域；第3次劈裂冲击后，试件已被劈开，但透射位置仍由纤维连接，未完全裂开，入射位置有部分块体脱落，但仍连接在纤维上，入射位置被完全压平，试件已完全破坏，但仍裂而不散。这也证明了在多次循环劈裂冲击下，SECC仍能较好地维持自身稳定性，有效减小冲击能量对支护结构的动力扰动^[26]。此外，值得一提的是，压缩和劈裂试验结果存在整体变化趋势相似，例如峰值应变、极限应变、反射能转化率和损伤变量呈上升趋势，而透射能、吸收能转化率保持下降趋势，但详细变化特征有差异。这主要是因为试件在循环劈裂破坏前(第2次循环)，劈裂面已经明显存在较宽裂缝，局部纤维拔出，第3次循环时无法提供足够的抗拉约束，因此其应变特征变化较小。反观循环压缩试验，在破坏前，试件并未出现较宽裂缝，这也是第2~3次劈裂循环能量转化率变化小于1%的主要原因。两种试验的损伤变量特征较大差异为拟合函数，其中压缩试验为指数函数，有明显弧度，而劈裂试验为线性函数。这可能是因为循环冲击试验气压较大，第2次循环试验时，试件已极限接近破坏，因此第3次循环试验后，试件远超破坏状态(接近完全劈裂)，因此出现上述差异。

2.2.2 变形和能量演化特征

变形特征指标同样采用峰值应变和极限应变，动态循环劈裂试验下试件的变形行为特征见图 9，拟合方程见表 5。由图可知，峰值应变和极限应变都保持上升趋势，并且都与循环次数呈现明显指数函数关系，R²均等于1，但趋势不同: 峰值应变为上凸型，而极限应变为上凹型。二者曲线走势相反，其中峰值应变先快速上升再缓慢上升，两阶段增量分别为0.018和0.002;极限应变先缓慢上升再快速上升，两阶段增量分别为0.002和0.007。相比第1次冲击，最终破坏时极限应变增长了18.63%, 峰值应变增长了121.1%，这说明循环冲击下，第2阶段的差异最大。同时第1次和第2次冲击的差距较大，其中峰值应变增加了109.11%。这是因为第1次劈裂冲击后，试件中部横向形成大量微裂纹，使得部分基体强度降低；第2次劈裂冲击时，相同的输入能量，可以达到主裂纹附近多个位置的开裂准则，因此具有更高的峰值应变和应变硬化表现。另外，第1次劈裂冲击后，冲击位置已形成轴向平面，并非第1次冲击前的圆弧，因此受力面积有所增大。这也同样说明SECC在遭受1次冲击荷载后，仍能提供柔性变形空间，这有助于为待加固层在冲击应力下提供所需要的柔性空间^[22]。

能量特征指标同样采用试验结束点的不同能量转化率，动态循环压缩试验下试件的能量行为特征见图 10，拟合方程见表 6。由图可知，不同能量转化率与循环次数呈现明显的线性函数关系，因为参数点只有3个，因此线性关系拟合也较好。其中3个能量转化率随着循环次数的增加，反射能转化率维持上升趋势，而透射能、吸收能转化率保持下降趋势，变化趋势与动态循环压缩试验结果相似。三者变化趋势都比较规律，变化量均呈上升趋势。其中反射能转化率增量为0.5%和0.9%，透射能转化率降幅分别为0.1%和0.2%，吸收能转化率降幅分别为0.03%和0.07%。3次循环劈裂后，相比第1次冲击，反射能转化率提高了1.66%，而吸收能和透射能转化率降低了0.72%和19.64%。这说明了SECC在遭受多次循环劈裂冲击时，试件能够将输入能量更高效地转化为反射能，并且能够降低用于试件裂纹扩展的吸收能和需要穿过试件内部的透射能量。这也证明了SECC能为待加固层在冲击应力下提供柔性缓冲空间，是良好的支护材料^[23]。

2.2.3 疲劳损伤破坏特征

循环冲击劈裂作用下损伤变量演化曲线如图 11所示，拟合方程见表 7。两种损伤变量演化规律相似，具有较好的线性关系，变化趋势大致相同，R²均为1，这与循环冲击压缩试验结果相似。第1次循环下，基于能量特征的损伤变量为0.334 4，而基于变形特征的损伤变量为0.309 7，在后续循环下，基于能量特征的损伤变量普遍略高于变形特征下的损伤变量，这与静态循环试验的结果不同。试件的变形损伤和能量损伤均随循环冲击次数的增加而增加，且变化较规律，其中变形损伤增量分别为0.32和0.37，增量呈上升趋势，能量损伤增量均为0.33左右，增量稳定。第3次冲击试验后，两种损伤变量分别提高了222.89%和199.13%。

3 结论

本研究采用霍普金森压杆对加固用SECC进行了压缩和劈裂两种方式下的循环冲击试验，分析了应力-应变曲线、变形和能量演化特征、疲劳损伤破坏特征，探究了各物理量的变化规律，并建立了力学特性预测模型。

(1) 循环压缩试验下，不同能量转化率与循环次数呈现明显的指数函数关系，其中反射能转化率持续上升，而吸收能和透射能持续下降。相比第1次冲击，最终破坏时反射能转化率提高了55.81%，而吸收能和透射能转化率降低了63.94%和62.36%。

(2) 循环劈裂试验下，不同能量转化率与循环次数呈现明显的线性函数关系，其中3种能量转化率随着循环次数的增加，反射能维持上升趋势，透射能和吸收能保持下降趋势，但三者每次的变化幅度都较小，在2%左右。3次循环劈裂后，相比第一次冲击，最终破坏时反射能转化率提高了1.66%，而吸收能和透射能转化率降低了0.72%和19.64%。

(3) 试件的变形损伤和能量损伤均随循环冲击次数的增加而增加，基于能量特征的损伤变量普遍高于变形特征下的损伤变量。第5次冲击压缩试验后，两种损伤变量分别提高了913.19%和233.11%；第3次冲击劈裂试验后，两种损伤变量分别提高了222.89%和199.13%。

(4) SECC有助于为待加固层在冲击应力下提供所需要的柔性变形空间，也为动力能量释放提供柔性缓冲空间。