彭 帥， 李 亮， 吳 俊,2， 姜錫權， 杜修力

(1. 北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124；2. 上海工程技術大學 軌道交通學院，上海 201620； 3. 陸軍炮兵防空兵學院，合肥 230031)

研究高應變率及高溫條件下混凝土材料力學特性的重要手段是開展相關的試驗研究。國內外學者開展了混凝土材料在高溫條件下的動態(tài)加載試驗，何遠明等[1]運用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)裝置和特制的高溫試驗爐對鋼管混凝土進行高溫條件下的沖擊試驗，并對試件的升溫過程進行數(shù)值模擬，對試驗結果進行驗證。結果表明鋼管混凝土是一種比較好的抗高溫抗沖擊材料。Su等[2]通過自主研制的加熱裝置研究了混凝土在不同溫度下的動態(tài)抗壓強度，試驗結果表明在不同溫度下混凝土的動態(tài)抗壓強度和能量吸收比均隨應變率的增加而增大，并建立了動態(tài)強度增長因子(Dynamic Increase Factor，DIF)和能量吸收率關于溫度和應變率的表達式。Chen等[3]通過SHPB試驗裝置和工業(yè)微波加熱爐對普通混凝土進行了高溫高應變率加載試驗，討論了溫度和應變率對混凝土材料力學性能的影響，并給出了不同溫度條件下混凝土的動態(tài)強度增長系數(shù)與應變率的關系式。此外，王宇濤等[4-6]都開展了混凝土材料的高溫動態(tài)加載試驗研究。

本文擬采用直徑為75 mm的大直徑SHPB試驗裝置和電阻式高溫加熱爐對鋼纖維混凝土試件進行高溫條件下的動態(tài)沖擊試驗，研究溫度和應變率對鋼纖維混凝土在高溫條件下動態(tài)力學性能的影響規(guī)律，并對比鋼纖維混凝土和普通混凝土高溫動態(tài)力學性能的差異。此外，作為計算動態(tài)強度增長因子的基礎，還將進行鋼纖維混凝土試件在高溫條件下的靜態(tài)壓縮試驗。

1 試驗簡介

1.1 試件制備

本次試驗中，水泥選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑為5～10 mm卵石和碎石；細骨料選用中粗河沙，大粒徑5 mm，細度模數(shù)2.8～3.0,含泥量小于1%；外加劑選用聚羧酸高效減水劑母液；鋼纖維選用超短超細鍍銅鋼纖維，其纖維長度8 mm、彈性模量210 GPa、抗拉強度3 600 MPa；本次試驗的試件所采用的配合比見表1。

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg/m3

用于靜態(tài)壓縮試驗的試件為直徑70 mm，高140 mm的圓柱形試件，用于動態(tài)沖擊試驗的試件為直徑70 mm，高35 mm的圓柱形試件。試件通過相應尺寸的模具制作而成，在試驗之前全部進行打磨，保證其端面的平整度和平行度都滿足試驗求。

1.2 試驗設備

本次試驗采用的高溫動態(tài)加載設備由SHPB試驗系統(tǒng)以及特制的電阻式高溫加熱爐組成(見圖1)。試驗過程中試件從開始加熱到保溫完成后進行動態(tài)加載均在爐腔內進行。采用鄭州大學教育部纖維復合建筑材料與結構工程研究中心的高溫壓縮試驗機(見圖2)對鋼纖維混凝土試件進行高溫條件下的靜態(tài)壓縮試驗。

1.3 加載方案

本次試驗通過對處于20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同溫度下的三種配合比的混凝土試件進行靜態(tài)壓縮試驗和不同子彈射速的動態(tài)沖擊試驗，得到其在相應試驗條件下的應力-應變曲線。通過對試驗得到的應力-應變曲線進行比較，分析溫度、應變率對鋼纖維混凝土材料抗壓性能的影響。由于混凝土材料是一種非均質材料，因此在靜態(tài)壓縮試驗中每種配合比試件在同一試驗條件下進行三次加載試驗，試驗結果取三次試驗的平均值。在進行動態(tài)沖擊試驗時，對每種配合比試件在相同試驗條件下進行多次重復試驗(一般需5次)，選取破壞模式和應力-應變曲線相似的三組有效數(shù)據(jù)進行平均化處理作為該試驗條件下的試驗結果。

圖1 高溫動態(tài)加載設備Fig.1 Dynamic loading equipment for elevated temperature

圖2 高溫壓縮試驗機Fig.2 Compression test machine for elevated temperature

1.4 加熱方案

混凝土材料作為一種熱惰性材料，研究其在高溫狀態(tài)下的力學性能必須保證加載時混凝土試件整體均勻地處于目標溫度。由于本文研究工作中涉及的靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗的加熱設備不同，試件的尺寸也不同，因此針對靜態(tài)和動態(tài)試驗分別制定不同的加熱方案以確保試件在加載時的溫度滿足要求。

根據(jù)之前研究人員使用本文高溫靜壓設備的經(jīng)驗，結合此次試驗的試件尺寸，本文的高溫靜態(tài)壓縮試驗采用的加熱方案如圖3所示：試件加熱過程中爐腔每分鐘升溫3.33 ℃，爐腔到目標溫度后保持溫度不變維持一定時間，其中爐腔加熱到200 ℃，400 ℃時維持溫度2 h，加熱到600 ℃，800 ℃時維持溫度3 h，確保對試件進行加載時，試件整體均勻處于目標溫度。

對于高溫條件下的動態(tài)沖擊試驗，通過在試件中心埋置熱電偶的方法實時測量試件中心溫度隨爐腔溫度的變化情況。由于試件關于中心軸對稱且四周均勻受熱，因此可以認為當試件中心達到目標溫度時試件整體均勻達到目標溫度。進行三次測量，求其平均值作為測量結果，以確定高溫條件下動態(tài)沖擊試驗的加熱方案(加熱時間和保溫時間)。不同目標溫度對應的試件中心的升溫過程如圖4所示，由此得到的試件加熱方案如表2所示。

圖3 高溫靜態(tài)試驗加熱方案Fig.3 Heating scheme for static loading test at elevated temperature

圖4 試件中心升溫過程Fig.4 Temperature rising course of specimen center

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2 試驗結果及分析

2.1 破壞狀態(tài)對比

加載速率為8 m/s時，三種配合比的混凝土試件在常溫、600 ℃，800 ℃下的破壞狀態(tài)的對比如圖5所示。通過橫向對比可以看出，普通混凝土承受動態(tài)荷載后基本上完全碎裂而鋼纖維混凝土的破壞程度遠低于普通混凝土；當試驗溫度達到800 ℃后，鋼纖維混凝土試件的破壞情況與普通混凝土基本一致，但還存在較大的碎塊未完全碎裂。說明鋼纖維的添加可以顯著提高混凝土材料的的抗沖擊性能。受到爆炸沖擊荷載的作用時，使用鋼纖維混凝土的結構構件相比使用普通混凝土的結構構件可以減少破片的飛散，更好地保護建筑物內的人員和設施。當混凝土材料的溫度達到800 ℃后鋼纖維對混凝土材料的抗沖擊能力的提升作用基本喪失。通過縱向對比可以看出：對于同一配合比混凝土試件，隨著試驗溫度的升高，試件的破壞程度越來越嚴重。

在其他的加載速率條件下，三種配合比的混凝土試件的破壞狀態(tài)的對比具有和圖5相同的規(guī)律。在同一試驗溫度下，試件的破壞狀態(tài)隨著加載速率的提高而加劇，其中普通混凝土試件在各加載速率下都發(fā)生破碎，加載速率越高碎裂程度越嚴重；鋼纖維混凝土試件在本次試驗的加載速率下(除800 ℃以外)并無明顯破碎，只是隨著加載速率的增大，試件上的裂縫變大增多。

圖5 不同溫度下不同類型混凝土試件破壞情況對比Fig.5 Comparison of failure performance of concrete specimens at different temperatures

2.2 溫度的影響

表3給出了不同加載速率下，三種配合比試件在不同溫度條件下的動態(tài)強度和峰值應變。由表中數(shù)據(jù)可知，鋼纖維的添加對混凝土動態(tài)抗壓強度的提升并不明顯，但可以顯著提高其在動態(tài)加載條件下的變形能力。沖擊加載速率為8 m/s時，不同溫度條件下試件的應力-應變曲線的對比如圖6所示。由圖可知，在動態(tài)加載速率一定的情況下，隨著試驗溫度的提高，試件的應力-應變曲線逐漸趨于扁平，其動態(tài)抗壓強度逐漸降低，峰值應變逐漸增大。以C60S2試件為例，其在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃時的動態(tài)抗壓強度分別為常溫下動態(tài)抗壓強度的78%，69%，55%和29%。這種變化表明高溫對鋼纖維混凝土和普通混凝土的動態(tài)力學性能有明顯的損傷作用。當試驗溫度為200 ℃時，三種配合比試件的動態(tài)抗壓強度相比常溫有明顯的下降，峰值應變增大；當試驗溫度為400 ℃時，三種混凝土試件的動態(tài)抗壓強度與200 ℃時相比略微降低，峰值應變繼續(xù)增大。當試驗溫度為600 ℃和800 ℃時，三種混凝土材料的動態(tài)抗壓強度均隨溫度的升高而大幅度降低，峰值應變顯著增大。

圖6 沖擊加載速率為8 m/s時的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curve when the impact velocity is 8 m/s

對于混凝土材料的強度隨著溫度升高而降低的現(xiàn)象，一些學者通過對高溫后的混凝土材料進行微觀分析指出[7-9]：當試驗溫度在300 ℃以內時，混凝土材料中的自由水和一部分凝膠水蒸發(fā)，水泥漿體收縮骨料受熱膨脹，混凝土材料更加密實，同時混凝土試件內部也會產生一些微裂縫，強度提高因素和損傷因素共同產生影響，此階段混凝土的強度變化比較復雜，靜態(tài)加載條件下強度在常溫水平上上下波動，但動態(tài)加載時，由于內部微裂縫的存在強度會有明顯的下降；當溫度達到400 ℃時，C-S-H凝膠體開始變得松散，氫氧化鈣開始少量分解；當溫度達到500 ℃時，混凝土完全脫水，漿體大幅度收縮同時骨料繼續(xù)受熱膨脹，內應力變大，骨料和漿體的黏結面出現(xiàn)開裂，氫氧化鈣大量分解，混凝土試件的內部結構破壞，抗壓強度急劇下降；當溫度達到600 ℃時，混凝土試件的內應力繼續(xù)增大，裂縫繼續(xù)發(fā)展同時石英開始由α型轉變?yōu)棣滦?，體積發(fā)生膨脹，混凝土內部結構破壞加??；當溫度達到700 ℃時，氫氧化鈣大量分解，骨料與漿體之間的裂縫迅速擴展；當溫度達到900 ℃時，石灰石開始分解，骨料與漿體完全脫離，混凝土幾乎完全喪失承載能力。

2.3 應變率的影響

圖7為C60S1試件在不同應變率條件下的應力-應變曲線。由圖7可知，在試驗溫度為400 ℃時，平均應變率由75 s-1提高到105 s-1，峰值應力從91 MPa提高到102 MPa，提高了約12%；應變率由75 s-1提高到140 s-1，峰值應力從91 MPa提高到113 MPa，提高了約24%。由試驗結果可以得到，無論是常溫試驗條件還是高溫試驗條件下，三種配合比的混凝土試件其動態(tài)抗壓強度和峰值應變均隨著應變率的增大而提高，表明在常溫和高溫條件下普通混凝土和鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度均具有應變率增強效應。

圖7 不同應變率條件下的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves for different strain rate

對于混凝土材料的動態(tài)抗壓強度隨著應變率的增大而提高的物理機制的解釋可以歸納為以下三方面：①黏性效應。當混凝土材料的應變率響應小于1 s-1時，材料的動態(tài)力學性能主要由黏性機制主導，對于材料的壓縮特性，Gary等[10]認為10 s-1為物理機制的顯著改變臨界值；②裂紋演化。混凝土材料在動態(tài)荷載作用下裂紋由微裂紋階段發(fā)展到微裂紋局部化階段再發(fā)展到宏觀裂紋開裂階段；③慣性效應。Lu等[11]認為當混凝土材料的應變率響應大于30 s-1時，材料的動態(tài)力學性能主要以慣性效應為主。

表3 不同溫度條件下混凝土試件SHPB試驗結果Tab.3 SHPB test results of concrete specimens at different temperature

3 高溫條件下鋼纖維混凝土動態(tài)強度的應變率效應

動態(tài)強度增長因子(DIF)[12]，即混凝土材料的動態(tài)強度與靜態(tài)強度的比值，常被用來表征混凝土材料的應變率效應。圖8給出了三種配合比的試件在不同溫度條件下DIF值隨應變率的變化情況。由圖8可知，在高溫條件下，隨著應變率的增大，DIF值不斷增大，表明在高溫條件下鋼纖維混凝土材料的動態(tài)抗壓強度具有應變率強化效應。圖9給出了在沖擊速率為8 m/s的情況下，三種配合比試件的DIF值隨溫度的變化。由圖可知，溫度的變化對鋼纖維混凝土的DIF值有較大的影響，在同一沖擊速率下隨著溫度的升高，其DIF值先減小后增大。在800 ℃時，鋼纖維混凝土的DIF值明顯大于常溫條件下的DIF值，這表明高溫條件下鋼纖維混凝土的應變率效應更加顯著。

圖8 不同溫度條件下DIF與應變率的關系Fig.8 Variation of DIF with strain rate at different temperatures

圖9 不同溫度條件下的DIFFig.9 DIF at different temperatures

4 結 論

本文應用分離式霍普金森壓桿和電阻式高溫加熱爐組合的試驗系統(tǒng)，開展了高溫條件下鋼纖維混凝土與普通混凝土材料的動態(tài)抗壓性能試驗研究，研究了溫度和應變率對鋼纖維混凝土動態(tài)壓縮性能的影響，并對比了鋼纖維混凝土與普通混凝土動態(tài)壓縮特性的差異。由試驗結果的分析可以得到以下結論：

(1) 隨著試驗溫度的升高，鋼纖維混凝土的動態(tài)抗壓強度逐漸下降，動態(tài)峰值應變逐漸增大，即鋼纖維混凝土具有明顯的溫度損傷效應，隨著溫度的升高，其動態(tài)力學性能逐漸劣化。

(2) 在高溫條件下，鋼纖維混凝土表現(xiàn)出明顯的應變率強化效應，其動態(tài)抗壓強度和DIF值隨著應變率的增大而提高。

(3) 在相同的沖擊加載速率下，鋼纖維混凝土的DIF值隨著溫度的升高先減小后增大，高溫條件下鋼纖維混凝土的DIF值高于其常溫條件下的DIF值。

(4) 在動態(tài)加載條件下，鋼纖維的添加可以顯著增強混凝土材料的抗沖擊能力，表現(xiàn)在鋼纖維的添加提高了混凝土材料的峰值應變，即增強了混凝土材料在動態(tài)加載條件下的變形能力。另一方面，在本文所研究的含量范圍內，鋼纖維的添加對混凝土材料動態(tài)抗壓強度的提升作用并不明顯。