摘要： 為了研究高溫混凝土在不同冷卻方式下的動態(tài)力學(xué)特性，通過? 74 mm 大口徑分離式霍普金森壓桿對不同冷卻方式處理下不同溫度的C30 圓柱形混凝土試樣進(jìn)行了動態(tài)力學(xué)性能試驗，得到了其在熱、水、力聯(lián)合作用下的力學(xué)特性，探究了冷卻方式、溫度和加載條件對平均應(yīng)變率的影響，重點分析了高溫混凝土在不同方式冷卻后的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及冷卻方式、溫度和加載速率對其破碎形態(tài)、動態(tài)抗壓強度、彈性模量、峰值應(yīng)變及一系列動態(tài)效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：水冷混凝土試樣的平均應(yīng)變率受溫度的影響更明顯，不同冷卻方式下加載速度與平均應(yīng)變率近似呈線性關(guān)系；當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃ 及以上時，試樣顏色發(fā)生明顯改變，相同溫度下，水冷試樣比自然冷卻試樣的顏色更深，出現(xiàn)更多細(xì)微裂紋，骨料形態(tài)破壞更嚴(yán)重；不同冷卻方式下混凝土的動態(tài)抗壓強度均與加載速度成正比，與加熱溫度成反比；水冷混凝土試樣的彈性模量損傷系數(shù)低于自然冷卻試樣；高溫混凝土試樣的峰值應(yīng)變與加熱溫度成正比，與加載速度成反比，且水冷混凝土試樣的峰值應(yīng)變相對值要高于自然冷卻試樣；混凝土的動載荷增加因子與溫度及加載速度均成正比，且溫度越高，混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)越明顯；當(dāng)溫度在200 ℃ 時，混凝土耗能系數(shù)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 冷卻方式；沖擊；高溫混凝土；分離式霍普金森壓桿；動態(tài)力學(xué)特性；破壞形態(tài)

中圖分類號： O347.3 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著現(xiàn)代化程度的升高，混凝土材料已被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施及國防設(shè)施的建造中[1]，其中公路隧道發(fā)展迅速，最新的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國公路隧道總里程已達(dá)26 784 km，相較于2001 年，里程增長約37 倍。由于隧道空間狹長封閉、通道出口有限，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸、坍塌等突發(fā)事故，極易造成群死群傷的重大安全事件。火災(zāi)和爆炸產(chǎn)生的高溫及沖擊會對公路隧道中混凝土材料的力學(xué)性能造成嚴(yán)重影響[2-3]，而在后續(xù)滅火作業(yè)中基本采用噴水的形式，因此，研究混凝土材料在熱、水、力共同影響下的力學(xué)性能具有重要意義。

目前，在高溫混凝土力學(xué)性能研究方面已取得了一定的成果。余志武等[4] 開展了不同強度混凝土的力學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)高溫作用后混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的抗力系數(shù)均會存在一定程度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生較大改變；王孔藩等[5] 研究了不同骨料、不同強度的混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的性能，并與常溫下的混凝土進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃ 時，混凝土的抗壓強度下降到室溫時的25% 左右；Hager 等[6] 開展了高溫混凝土試驗研究，發(fā)現(xiàn)高溫使得混凝土性能劣化嚴(yán)重，內(nèi)部損傷增大，耐久性及抗?jié)B透性能下降。以上研究將溫度作為變量，表明高溫會對混凝土造成一定程度的損傷。

混凝土在經(jīng)歷高溫后，不同的冷卻方式對其力學(xué)性能也會產(chǎn)生不同的影響。呂天啟等[7] 綜合考慮了冷卻和養(yǎng)護(hù)方式及靜置時間等因素對高溫后靜置混凝土的力學(xué)性能的影響，并采用雙曲線對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段進(jìn)行擬合回歸。鄭鈺濤等[8] 研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著溫度的提升，噴水冷卻試件的質(zhì)量損失比自然冷卻試件的質(zhì)量損失小，楊氏模量、縱波波速、抗壓強度均呈降低趨勢，溫度超過400 ℃ 后，噴水冷卻試件各參數(shù)的降幅更大。王珍[9] 探究了消防射水與火災(zāi)共同作用下高性能混凝土建筑的坍塌機理，建立了高性能混凝土建筑火災(zāi)后的坍塌預(yù)測和評價方法。上述研究從質(zhì)量損失率、楊氏模量、峰值應(yīng)力等角度證明噴水冷卻對高溫混凝土的損傷比自然冷卻更大。

混凝土受到高速沖擊后，力學(xué)性能也會發(fā)生變化。王宇濤等[10] 對C30、C50 等2 種強度等級的混凝土開展了高溫后動態(tài)沖擊與靜態(tài)抗壓試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土在高溫后動態(tài)破壞強度不斷降低、峰值應(yīng)變不斷增大、應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象且隨溫度升高愈加明顯。Kou 等[11] 為研究溫度與應(yīng)變率聯(lián)合作用下混凝土在火和爆炸環(huán)境下的力學(xué)性能，設(shè)計了混凝土動態(tài)本構(gòu)模型，并驗證了該模型的可行性和準(zhǔn)確性。Watstein[12] 研究了不同配合比的混凝土在高速加載下的力學(xué)性能，試驗中最大加載應(yīng)變率達(dá)10 m/s，結(jié)果表明，混凝土在動態(tài)加載下的強度和彈性模量都顯著大于靜力狀態(tài)下。Huo 等[13] 開展了高溫后混凝土的霍普金森壓桿沖擊動態(tài)力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明，高溫會導(dǎo)致混凝土在不同加載速率下的動態(tài)效應(yīng)發(fā)生變化。以上研究大多考慮了高溫與應(yīng)變率聯(lián)合作用下混凝土各力學(xué)指標(biāo)的變化。

截至目前，相關(guān)研究主要集中于混凝土材料受單一或2 種因素影響下的力學(xué)特性，缺少混凝土材料在熱、水、力聯(lián)合作用下的試驗數(shù)據(jù)，而在實際工程中，高溫混凝土在冷卻后可能遭受諸如爆炸等各式各樣的載荷作用，其動態(tài)力學(xué)性能會如何發(fā)生變化，能否繼續(xù)滿足工程安全要求，結(jié)論尚不明確。為了進(jìn)一步明確高溫混凝土經(jīng)過不同方式冷卻后在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能，本文中通過研究C30 混凝土在不同溫度（100、200、400、600 ℃）下，通過不同冷卻方式（自然冷卻、噴水冷卻）冷卻后，在霍普金森壓桿不同加載速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、破碎特性、動態(tài)抗壓強度、彈性模量及動態(tài)效應(yīng)等參數(shù)，來探究加載速度（應(yīng)變率）、加熱溫度及冷卻方式3 種變量對混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試 驗

1.1 試件制備

本試驗共制作105 塊圓柱形混凝土試件，試件原料包括水、水泥、砂、碎石和粉煤灰等，各組分配合比如表1 所示。首先，混凝土坯在養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行28 d 齡期養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在18～22 ℃，相對濕度控?制在95% 以上；然后，用取芯機取試樣芯部，利用拋光機對試件進(jìn)行打磨處理，并控制試樣的長徑比L/D 為0.6 [14]，保證試樣的尺寸誤差不超過0.02 mm，兩端面的不平行度和不垂直度不超過0.02 mm；最后，制成尺寸為 50 mm×30 mm 的圓柱形混凝土試件，如圖1 所示。

1.2 試驗設(shè)備

分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）試驗裝置可以有效測試材料的動態(tài)力學(xué)性能，本試驗采用 74 mm 的SHPB 裝置，其導(dǎo)桿系統(tǒng)包括撞擊桿、入射桿、透射桿，長度分別為400、2 800和1 800 mm，桿材密度（ρ）為7 800 kg/m3，彈性模量（E）為210 GPa，桿中的波速（c0）為5 750 m/s，波阻抗（Z）為4.07×107 kg/（m·s）。試驗通過控制系統(tǒng)發(fā)射裝置內(nèi)的氣壓來控制子彈加載速度，從而達(dá)到控制試件應(yīng)變率的目的。試驗前進(jìn)行空桿試射并將誤差調(diào)整在合理范圍，裝置示意圖如圖2 所示。試驗加熱設(shè)備采用上海大恒光學(xué)精密機械有限公司生產(chǎn)的SXL-1700 型高溫箱式電爐，最高加熱溫度可達(dá)1 700 ℃，滿足試驗設(shè)計要求。

1.3 試驗方法及原理

利用高溫箱式電爐加熱試樣至指定溫度，加熱升溫速率設(shè)定為5 ℃/min，將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的圓柱形混凝土試件表面晾干后進(jìn)行加熱處理，為使試件內(nèi)外均勻受熱，在達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫靜置2 h，保證試件內(nèi)部溫度與表面溫度一致，升溫示意如圖3 所示。高溫試驗分為100、200、400、600 ℃ 共4 種溫度，為便于分析，未經(jīng)歷高溫作用的常溫試件溫度定為20 ℃。在試驗過程中，為了降低試樣與試驗桿端面的摩擦效應(yīng)，在試樣及彈性導(dǎo)桿的接觸面涂抹凡士林。將圓柱形試樣放在2 根彈性導(dǎo)桿中間，當(dāng)撞擊桿撞擊入射桿的一端時，會產(chǎn)生彈性壓縮脈沖力，利用應(yīng)變片收集入射桿中的入射信號波形 、反射信號波形εr（t）以及透射桿中的透射信號波形εt（t），根據(jù)一維彈性波理論的二波法計算獲得試件的應(yīng)力σs（t）、應(yīng)變ε（t）、應(yīng)變率`ε（t）：

式中：ls 為試件長度，As 為試件橫截面積，c0 為彈性導(dǎo)桿的縱波波速，A 為彈性導(dǎo)桿的橫截面積。

為了減小彌散效應(yīng)帶來的應(yīng)力波振蕩現(xiàn)象[16]，保證試樣在試驗中的動應(yīng)力平衡和常應(yīng)變率加載，需要過濾加載波中由于碰撞沖擊引起的高頻分量，因此，采用入射波整形技術(shù)[17]，在入射桿沖擊端的中心處裝置一個紫銅緩沖片，作為波形調(diào)整器，以過濾由高速碰撞產(chǎn)生的高頻振蕩，減小波的彌散現(xiàn)象，使試件中應(yīng)力分布更加均勻[18]。結(jié)果表明，其對脈沖波波形具有明顯的改善作用，圖4 給出了加載速度為3.7 和7.2 m/s 時的常溫混凝土脈沖波形曲線，由圖4 可知，入射波、反射波及透射波峰值均隨著加載速度的升高而增大。

試件冷卻方式：由于火災(zāi)現(xiàn)場一般采用噴水冷卻方式，為保持水的流動性，本文中采用淋水冷卻方式，根據(jù)文獻(xiàn)[19] 的試驗研究及現(xiàn)場試件情況，將灑水冷卻時間定為30 min，降溫速率控制在35 ℃/min左右，試驗表明，各溫度混凝土試樣外表面溫度均在30 min 內(nèi)達(dá)到室溫；自然冷卻是高溫后的試件在爐膛內(nèi)自然冷卻至室溫。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫后混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

高溫環(huán)境會對混凝土的骨料、水泥砂漿等內(nèi)部材料造成熱損傷，從而對其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響其宏觀性能。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對不同溫度下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，并對圖像進(jìn)行二值化處理。圖5（a） 給出了未受高溫影響的混凝土試件的微觀形貌，整體來看結(jié)構(gòu)較完整，骨料與水泥漿體之間連結(jié)緊密，未出現(xiàn)分離現(xiàn)象。經(jīng)歷200 ℃ 高溫作用后的混凝土試件的微觀形貌如圖5（b） 所示，可以看出，未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化，產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)整體更加緊密，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的完整性，與常溫試件相比，Ca（OH）2 數(shù)量減少、體積變小，由于其強度小于凝膠與骨料的強度，因此，試件的宏觀強度得到小幅提升。經(jīng)歷400 ℃ 高溫作用后，水化產(chǎn)物中的結(jié)晶水分解，水泥漿體與未水化顆粒間的結(jié)合力減弱，C-S-H 凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始破壞，出現(xiàn)大量裂縫，Ca（OH）2 大量減少，如圖5（c） 所示。經(jīng)歷600 ℃ 高溫作用后的混凝土試件的微觀形貌如圖5（d） 所示，可以看出，水泥基材料的水化產(chǎn)物更加疏松，孔狀結(jié)構(gòu)增多，骨料-水泥砂漿界面產(chǎn)生較大裂紋，大部分結(jié)晶水被分解，Ca（OH）2 遇熱失水生成CaO，降溫后與空氣中的水汽生成Ca（OH）2，使其內(nèi)部膨脹，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，宏觀上嚴(yán)重影響了試件的力學(xué)特性。

2.2 不同冷卻方式下混凝土試樣外觀變化規(guī)律

高溫混凝土試樣經(jīng)歷不同冷卻方式后的外觀如圖6 所示。在經(jīng)歷100 和200 ℃ 高溫之后，試件水分蒸發(fā)較少，與常溫試樣無明顯差別，水冷試件相比自然冷卻試件顏色更暗。在經(jīng)歷400 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件的顏色發(fā)生明顯改變，并且由于混凝土內(nèi)部水泥膠體與粗骨料的變形差不斷擴大，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（裂紋用紅色線條標(biāo)記），隨著水化物脫水，混凝土表面顆粒逐漸失去光澤；而水冷試件的顏色逐漸變?yōu)闇\粉色，且比相同溫度下自然冷卻試樣顏色更深，同時水冷試件也比自然冷卻試件產(chǎn)生更多細(xì)裂紋。在經(jīng)歷600 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件裂紋持續(xù)擴大并增多，顏色變?yōu)榉浅Ｃ黠@的淺粉色，邊角產(chǎn)生了少量剝落情況，這是由于高溫下混凝土內(nèi)部的水分和Ca（OH）2 遇熱分解，導(dǎo)致混凝土體積膨脹，初始尺寸改變，從而發(fā)生破壞；而水冷試件的開裂和剝落比自然冷卻試件更加明顯，這是由于試件在加熱結(jié)束后溫度極高，在水冷過程中，外表面溫度驟減，而試件中心溫度依然很高，試件表面與內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力所致[20]，具體情況如表2 所示。

2.3 靜態(tài)力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

圖7 給出了靜力試驗實測得到的各溫度下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載速度均設(shè)定為12 m/s，由圖7可知，2 種冷卻方式下試件呈現(xiàn)相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。隨著溫度升高，經(jīng)過高溫的持續(xù)損傷，混凝土強度下降，試樣內(nèi)部水蒸氣蒸發(fā)形成孔隙，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于平緩，即彈性模量隨溫度升高明顯降低，峰點逐漸下移和右移。自然冷卻試件相對于水冷試件峰值應(yīng)力更大、彈塑性階段斜率更高，彈性更好，這些現(xiàn)象都表明水冷會對混凝土試件造成一定程度的損傷。在加熱溫度低于400 ℃ 時，2 種冷卻方式下混凝土強度均變化不大，但自然冷卻下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的重合度明顯高于水冷，此現(xiàn)象在峰后破壞階段更明顯。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，混凝土試樣在受到撞擊時主要經(jīng)歷了4 個階段。

（1） 壓密階段（階段Ⅰ），此過程極為短暫，在該階段，混凝土試樣受到?jīng)_擊后，試件內(nèi)部受到擠壓出現(xiàn)微裂紋，隨著應(yīng)力的增加，出現(xiàn)非線性的變形，此時試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著溫度的升高加而減小，水冷試件相對于自然冷卻試件斜率更低，韌性更差。

（2） 彈性變形階段（階段Ⅱ），此過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性關(guān)系，混凝土試樣為彈性變形，試樣內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴展，水冷試件相對于自然冷卻試件的斜率總體變大。

（3） 彈塑性變形階段（階段Ⅲ），此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率總體變小，出現(xiàn)了應(yīng)變軟化效應(yīng)，混凝土試件發(fā)生塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率仍隨溫度的升高而減小，相比于自然冷卻試樣，此階段水冷試樣斜率的變化更大，持續(xù)時間更長。

（4） 破壞階段（階段Ⅳ），此階段應(yīng)力峰值隨著應(yīng)變的增大不斷下降，在混凝土達(dá)到極限載荷之后，試樣失去承載能力，2 種冷卻方式下，試件均發(fā)生不同程度的破碎。

2.4 動態(tài)力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

2.4.1 溫度、冷卻方式及加載速度對混凝土破碎特性的影響

從動態(tài)力學(xué)性能試驗后的混凝土破壞形態(tài)可以了解混凝土的力學(xué)性能，圖8 展示了2 種冷卻方式下不同溫度、不同加載速度時混凝土試樣的破碎形態(tài)，將破碎形態(tài)分為4 個工況：低溫低速工況，低溫高速工況，高溫低速工況，高溫高速工況。由圖8 可知，2 種冷卻方式下，低溫低速工況的混凝土碎塊與常溫碎塊差別不大，且大多沿著骨料與水泥粘合處的裂縫產(chǎn)生破壞，骨料多數(shù)保存完整。隨著溫度的升高，2 種冷卻方式下，高溫低速工況碎塊的尺寸明顯減小，骨料形態(tài)也隨溫度升高發(fā)生破壞，說明此時骨料的力學(xué)性能受高溫影響，導(dǎo)致試件的動態(tài)抗壓性能相比常溫時下降顯著；從加載速度層面看，2 種冷卻方式下，低溫高速工況混凝土試樣的破壞程度明顯高于低溫低速工況，并且出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)，骨料的形態(tài)從開始的完整到逐漸受壓破壞，這一現(xiàn)象也導(dǎo)致混凝土試樣峰值應(yīng)力增加；對比自然冷卻和水冷可知，水冷試樣骨料發(fā)生破壞更早，相同溫度和加載速度下，水冷過程中的混凝土表面會比自然冷卻過程中產(chǎn)生更多的微裂紋，導(dǎo)致混凝土承載力降低，從而產(chǎn)生更多的小尺寸碎片。這說明，相比于自然冷卻，水冷對混凝土造成的損傷更大。

2.4.2 不同冷卻方式下加載速度及溫度對混凝土應(yīng)變率的影響

通過控制SHPB 裝置氮氣瓶的閥門，可以調(diào)整炮管內(nèi)的氣壓系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)撞擊桿的速度，實現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載，但試驗過程中很難實現(xiàn)恒應(yīng)變率加載。本文中，通過在入射桿處粘貼波形整形器，達(dá)到近似恒應(yīng)變率加載的效果，其中平均應(yīng)變率取應(yīng)變率首次達(dá)到峰值至試件達(dá)到最大應(yīng)力之間的平均值，圖9 給出了SHPB 系統(tǒng)測速裝置測得的不同加載速度和不同冷卻方式下經(jīng)歷不同溫度后混凝土平均應(yīng)變率的關(guān)系，并根據(jù)最小二乘法給出了擬合曲線。

由圖9 可知，在相同加載速度下，相對于自然冷卻，水冷時混凝土試樣的平均應(yīng)變率受溫度影響更明顯，尤其在加載速度為4 m/s 時，水冷后不同加熱溫度下混凝土試樣的應(yīng)變率存在顯著差異，說明水冷方式下混凝土試樣應(yīng)變率受溫度影響更大。從圖9 還可以看出，2 種冷卻方式下，溫度對于加載速度與平均應(yīng)變率之間的線性相關(guān)性影響均較小。加載速度與平均應(yīng)變率的線性擬合關(guān)系可以表示為：

式中：-`ε"為平均應(yīng)變率，v 為加載速度，a、b 為待擬合系數(shù)。

表3 給出了加載速度與平均應(yīng)變率的線性擬合參數(shù)，從表3 可以看出，2 種冷卻方式下，擬合直線的決定系數(shù)（R2）大多高于0.97，說明2 種冷卻方式下加載速度與應(yīng)變率之間存在良好的線性關(guān)系，通過改變加載速度能夠較好地體現(xiàn)應(yīng)變率的變化。

2.4.3 不同冷卻方式下高溫混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 給出了不同溫度和不同冷卻方式下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變隨加載速度的變化情況。從圖10 可以看出，不同溫度和不同冷卻方式下，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同的加載速率下都保持了基本形狀，但峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變存在一定的差異。與自然冷卻相比，不同加載速度下水冷時混凝土在彈塑性變形階段斜率更接近。2 種冷卻方式下，混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨著加載速度的升高而增大，其中峰值應(yīng)變的增長幅度大于峰值應(yīng)力。同時，隨著加載速度的升高，混凝土的韌性得到增強，且自然冷卻時峰值應(yīng)變相對值的增長幅度明顯大于水冷情況下，其中在400 和600 ℃ 時表現(xiàn)最明顯。另外，水冷情況下，600 ℃ 時應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯規(guī)律波動，其原因可能是各混凝土試樣制備過程中的均勻性存在差異，從而導(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)波動。

2.4.4 冷卻方式對抗壓強度及彈性模量的影響

圖11 給出了2 種冷卻方式下不同溫度混凝土試樣的動態(tài)抗壓強度，可以看出，其動態(tài)抗壓強度均與加載速度成正比，與加熱溫度成反比。在自然冷卻情況下，加載速度在4 m/s 左右時，同組混凝土動態(tài)抗壓強度的平均值從常溫下的32.83 MPa 降至600 ℃ 時的20.14 MPa，降幅為38.65%，低于水冷情況下的45.23%。在加載速度為8 和12 m/s 左右時，自然冷卻混凝土的動態(tài)抗壓強度降幅分別為24.07% 和21.43%，水冷時的降幅則為45.23% 和40.03%?？梢钥闯?，隨著加載速度的升高，2 種冷卻方式下混凝土試樣的動態(tài)抗壓強度下降比例均降低。而在加載速度相同時，水冷混凝土的動態(tài)抗壓強度下降比例低于自然冷卻時，表明水冷方式下混凝土的動態(tài)抗壓強度受溫度變化的影響更大。這是由于高溫混凝土遇水時形成內(nèi)外溫差，導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的收縮裂縫，從而對抗壓強度產(chǎn)生影響，因此，水冷對混凝土試樣造成的損傷程度顯著大于自然冷卻。不同冷卻方式下混凝土由常溫加熱至600 ℃ 時動態(tài)抗壓強度下降比例對比如圖12所示。

圖13 給出了不同溫度和不同冷卻方式下混凝土試樣的彈性模量（對應(yīng)溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的 0.4 倍峰值應(yīng)力處的割線模量），從圖13 可以看出，由于高溫造成損傷，2 種冷卻方式下混凝土試樣的彈性模量均隨加熱溫度升高而降低。隨著加載速度的升高，不同工況下的混凝土試樣的彈性模量呈現(xiàn)上升趨勢。為更好地表述溫度對彈性模量的影響，圖14 給出了不同冷卻方式下混凝土試樣的彈性模量損傷系數(shù)（E0（T）/E0）隨溫度的變化規(guī)律，由圖14 可知，在溫度低于400 ℃ 時，彈性模量損傷系數(shù)穩(wěn)定下降，超過400 ℃ 后則大幅下降，破壞也更加明顯。經(jīng)噴水冷卻后，不同加載速度和不同溫度下的彈性模量損傷系數(shù)均低于自然冷卻時。

2.4.5 不同冷卻方式下高溫混凝土的動態(tài)峰值應(yīng)變

混凝土材料的峰值應(yīng)變是反映其承載能力的重要指標(biāo)，對工程實際有重要的參考價值。峰值應(yīng)變?nèi)⊥M試件峰值應(yīng)變的算術(shù)平均值，建立高溫混凝土峰值應(yīng)變與常溫混凝土峰值應(yīng)變之比（ε0（T）/ε0）與溫度、加載速度及冷卻方式的關(guān)系，如圖15 所示。可以看出，隨著溫度升高，2 種冷卻方式下混凝土峰值應(yīng)變相對值均呈明顯上升趨勢；相同溫度下，加載速度越快，峰值應(yīng)變相對值越低，且溫度越高，加載速度對峰值應(yīng)變相對值的影響越大；溫度及加載速度相同的情況下，水冷時的峰值應(yīng)變相對值高于自然冷卻時，600 ℃ 時最明顯。

2.4.6 動載荷增加因子

通常用動載荷增加因子（dynamic increase factor，DIF），即動態(tài)強度與準(zhǔn)靜態(tài)強度之比，來描述混凝土強度的應(yīng)變率效應(yīng)。圖16 給出了不同冷卻方式下各溫度混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)強度，圖17 給出了不同加載速度及冷卻方式下高溫混凝土動載荷增加因子與溫度的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，高溫對沖擊載荷作用下混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)存在顯著影響，除200 ℃ 外，隨著溫度升高，混凝土的DIF 明顯增大；相同溫度下，加載速度的升高帶動了試件內(nèi)部細(xì)裂紋的擴展，導(dǎo)致其抗外載荷能力增強，DIF 也隨之增大，且溫度越高，混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)越明顯，說明高溫對混凝土產(chǎn)生的損傷增強了混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)；不同冷卻方式下混凝土的動載荷增加因子曲線呈相似形狀，其中在高溫高加載速度工況下，自然冷卻時混凝土的DIF 明顯高于水冷情況下。

2.4.7 耗能分析

高溫混凝土在受載情況下吸收并消耗能量，發(fā)生形變直至破壞，其耗能規(guī)律的分析既能準(zhǔn)確評估損傷，也能綜合評價混凝土的韌性指標(biāo)，為此，引入耗能系數(shù)W （W=S0123（T）/S0123，其中S0123（T） 為經(jīng)歷高溫的混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變（σ -ε ）曲線經(jīng)過峰值后，取值為0.85 （T） 的點所做的垂線與x 軸及原曲線圍成的面積，S0123 則為20 ℃ 時圍成的面積，如圖18 所示）。

圖19 為不同冷卻方式下不同加載速度的混凝土耗能系數(shù)隨溫度的變化曲線，由圖19 可知，不同冷卻方式下高溫混凝土的耗能系數(shù)隨著溫度升高總體呈下降趨勢，且在同一溫度下，加載速度越高，耗能系數(shù)越大，表明混凝土耗能能力與加載速度成正比，與加熱溫度成反比。其中2 種冷卻方式下混凝土耗能系數(shù)均在200 ℃ 時出現(xiàn)小幅反彈，自然冷卻情況下，加載速度為4、8 和11 m/s 時耗能系數(shù)的增幅分別為3.85%、4.98% 和4.79%；水冷時，相同加載速度下耗能系數(shù)的增幅分別為2.53%、2.17% 和3.37%。出現(xiàn)反彈現(xiàn)象是由于水泥顆粒在高溫下產(chǎn)生水蒸氣形成水化反應(yīng)，使得混凝土內(nèi)部水泥熟料在強度上得到正向增強，產(chǎn)生拮抗效應(yīng)[21-22]，結(jié)合微觀圖像，200 ℃ 時Ca（OH）2 的減少也會使試件的宏觀強度小幅提升，而隨著溫度升高，熟料的減少導(dǎo)致拮抗效應(yīng)降低，抗壓強度也隨之下降，自然冷卻時的反彈增幅明顯大于水冷時，原因可能是水冷破壞了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，對混凝土拮抗效應(yīng)產(chǎn)生了影響。

3 結(jié) 論

通過對C30 混凝土開展SHPB 動態(tài)力學(xué)性能試驗，研究了冷卻方式、加熱溫度及加載速度3 個變量對混凝土應(yīng)變率、破碎特性、動態(tài)力學(xué)特性及動態(tài)效應(yīng)等參數(shù)的影響，得到以下主要結(jié)論。

（1） 混凝土的外觀變化、破碎特性與加載速度、溫度及冷卻方式密切相關(guān)。外觀變化方面，400 ℃ 前后，試樣顏色發(fā)生明顯改變，并出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，相同溫度下，水冷試樣比自然冷卻顏色更深，出現(xiàn)更多細(xì)微裂紋。破壞形態(tài)方面，溫度和加載速度越高，骨料形態(tài)破壞越嚴(yán)重。相同溫度和加載速度情況下，水冷比自然冷卻產(chǎn)生更多小尺寸碎片。

（2） 2 種冷卻方式下混凝土的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點均發(fā)生下移和右移，其中，在受熱溫度低于400 ℃ 時，自然冷卻下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合度明顯高于水冷，在峰后破壞階段表現(xiàn)更加明顯。

（3） 相對于自然冷卻，水冷時混凝土試樣的平均應(yīng)變率受溫度的影響更顯著。2 種冷卻方式下，加載速度與應(yīng)變率之間均存在良好的線性關(guān)系，溫度對于加載速度和平均應(yīng)變率的線性相關(guān)性影響較小，通過改變加載速度能夠較好地體現(xiàn)應(yīng)變率的變化。

（4） 不同冷卻方式下，混凝土的動態(tài)抗壓強度和彈性模量均與加載速度成正比，與加熱溫度成反比。且水冷時抗壓強度下降比例低于自然冷卻，彈性模量損傷系數(shù)在400 ℃ 以后大幅下降?；炷恋姆逯祽?yīng)變與加熱溫度成正比，與加載速度成反比，水冷時的峰值應(yīng)變相對值高于自然冷卻。

（5） 混凝土的DIF 與溫度及加載速度均成正比，且溫度越高，應(yīng)變率效應(yīng)越明顯。自然冷卻下，混凝土的耗能系數(shù)在200 ℃ 時的回彈幅度大于水冷情況下。

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（責(zé)任編輯 蔡國艷）

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（52378401，52422808）；國家重點研發(fā)計劃（2021YFC3002000）