高溫后混凝土SHPB試驗研究

李志武，許金余，2，白二雷，高志剛

（1.空軍工程大學 工程學院機場建筑工程系，西安 710038；2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710072）

混凝土作為應用最為廣泛的建筑材料，其各方面性能得到了大量的研究，而混凝土高溫力學性能作為其性能的一個重要方面，也受到了普遍關注。我國在這方面始于同濟大學的朱伯龍、陸洲導等以及清華大學的時旭東、過鎮海等對鋼筋和混凝土的高溫力學性能的研究［1-3］。自美國911事件以來，人們認識到鋼結構建筑在耐熱方面的巨大缺陷，而混凝土作為一種熱惰性建筑材料，具有遠優于鋼材、木材等建筑材料的耐熱性能，因此其高溫力學性能再次受到人們的強烈關注，關于混凝土高溫力學性能方面的試驗研究也大量涌現［4-8］，但是這些試驗多以靜力學性能研究為主，針對動力學性能研究較少。本文利用直徑為100 mm的分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，簡稱SHPB）試驗裝置對高溫作用后的混凝土進行了沖擊壓縮試驗研究，分別分析了彈速、溫度對平均應變率的影響以及溫度、平均應變率對動態抗壓強度的影響。

1 試驗

1.1 試驗技術

（1）試驗設備

目前分離式霍普金森壓桿試驗裝置被公認為是測量材料動態力學性能的有效試驗手段，對于混凝土這類復合材料而言，由于粗骨料粒徑較大，且混凝土內部存在較多微缺陷，為了保證一定的均勻性，必須采用較大尺寸的試件以反映其宏觀統計規律［9］，本試驗采用空軍工程大學工程學院防護試驗室的Φ100 mm SHPB裝置，是目前國內直徑最大的SHPB裝置。

（2）試驗原理

根據研究［10-11］，傳統的SHPB試驗技術難以獲得混凝土等脆性材料真實的應力-應變關系，而通過在入射桿撞擊端粘貼波形整形器等措施可以得到較為可靠的實驗數據。本文采用厚度為1 mm，直徑分別為20 mm、22 mm、25 mm、27 mm、30 mm 的 H62 黃銅波形整形器，不同尺寸的整形器對應不同的應變率范圍。通過應變片得到的信號數據，經過處理，可以計算出試件的應變率ε·（t）、應變ε（t）、試件兩端面應力的平均值σ（t）。本文采用三波法對數據進行處理，具體公式如下：

式中：c、E、A為壓桿的彈性波波速、彈性模量及截面積；ls、As為試件的長度及截面積；εi、εr、εt分別為測得的入射波、反射波及透射波；v為質點速度，下標Ⅰ、Ⅱ分別表示試件的入射端和透射端。

1.2 試件制備

（1）原材料

水泥：42.5R級的普通硅酸鹽水泥，陜西耀縣水泥廠生產，各項指標均符合《硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥》（GB175-1999）；粉煤灰：韓城第二發電廠的一級粉煤灰；硅灰：霖源微硅灰有限公司生產。

骨料：灞河中砂，細度模數為2.8；涇陽縣石灰巖碎石（5～10 mm，15%；10～20 mm，85%）。

外加劑：廣州建寶新型建材有限公司生產的FDN高效減水劑。

（2）配合比

混凝土按C50基體強度等級來進行配合比設計，具體配合比如表1所示：

表1 C50配合比 （單位：kg/m3）Tab.1 C50 Mix proportions

（3）試件尺寸

主要制備了兩種試件，一種尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件，以測定混凝土的抗壓強度；一種為Φ98 mm×48 mm的圓柱體試件，以進行沖擊壓縮試驗。

1.3 試件加熱及冷卻

目標溫度：通過文獻及前期試驗的研究探索，將目標溫度選為200℃、400℃、600℃、800℃。為便于分析，對于未經歷高溫作用的常溫試件溫度定為15℃。

試件加熱：采用RX3-20-12箱式電阻爐，一次可以對18塊圓柱體試件進行加熱，升溫速率定為10℃/min；加熱到目標溫度后，恒溫6小時，以使試件內外溫度接近一致，達到穩態溫度場［8，12］。

試件冷卻：由于火災現場一般采用噴水滅火的方式，本文采用灑水冷卻的方式；根據文獻［13］的試驗研究以及現場試驗觀察，將灑水冷卻時間定為30 min。

靜置時間：試件經灑水冷卻，靜置3晝夜后進行動態打擊。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度

按照文獻［14］，利用HYY型電液伺服材料試驗系統進行準靜態力學性能試驗，測得的三個立方體28d抗壓強度以及平均強度（分別以C1、C2、C3、C表示）如表2。

表2 立方體抗壓強度 單位：MPaTab.2 Cube compressive strength

從表中可以得出，混凝土立方體平均強度為60.45 MPa，誤差最大為7.6%，符合規范要求，達到設計強度。

2.2 彈速、溫度對應變率的影響

（1）平均應變率的取值

在對材料的動力性能進行研究的過程中，應變率是材料性能的一個重要方面，反映了材料的變形性能；同時也是分析材料動態力學性能的一個重要參數。利用SHPB系統要實現對材料的恒應變率加載是不易做到的，只有盡可能地保證試件在破壞前保持應力均勻分布，且在絕大多數時間內保持近似恒應變率加載，這是提高試驗有效性及試驗結果可靠性的根本途徑［10］。圖2所示為常溫試件在動態加載過程中一組典型的應變率-時間歷程曲線，每根曲線對應一個整形器尺寸。從圖2中可以看出通過在入射桿撞擊端粘貼波形整形器，可以較好地實現近似恒應變率加載。本文的平均應變率取曲線上升段拐點至曲線下降段與上升段拐點值相同的點這一段應變率的平均值，即圖2中E曲線的R1-R2段的平均值。

圖2 應變率-時間歷程曲線Fig.2 Strain rate histories of concrete

（2）彈速與平均應變率的關系

通過控制SHPB系統發射裝置內氣壓可以調節撞擊桿的速度，從而實現不同應變率的加載，圖3所示為SHPB系統測速裝置所測得的彈速與經歷不同溫度后混凝土平均應變率的關系。

圖3 彈速與平均應變率關系Fig.3 The relationship between striking velocity and average strain rate

從圖3中看出，撞擊速度與試件平均應變率之間存在較好的線性關系，記為=a+bv，其中表示平均應變率，v表示彈速，a、b為待擬合系數，采用最小二乘法擬合彈速與平均應變率，得圖3中所示直線，同時將線性擬合的參數值列于表3，R1為線性相關系數。從表中可以看出，不同溫度下所得到的擬合直線的相關系數均在0.97以上，彈速與平均應變率之間線性相關性良好，同時也說明了本文采用的平均應變率取值方法是科學、可行的。

表3 彈速與平均應變率線性關系擬合表Tab.3 The linear relationship between striking velocity and average strain rate

（3）溫度對平均應變率的影響

2.3 溫度、平均應變率對動態抗壓強度的影響

通過控制SHPB發射裝置中氣壓，使撞擊桿獲得不同的速度，實現了對混凝土不同應變率的沖擊加載。在每個不同的應變率下至少打擊三個試件，以保證實驗數據的有效性，圖4所示為經歷不同溫度后混凝土的動態壓縮應力-應變曲線。

圖4 不同溫度下混凝土應力-應變曲線Fig.4 Dynamic compressive stress-strain curves of concrete exposed to various temperatures

從圖4中的應力-應變曲線可以看出，溫度以及平均應變率對混凝土的動態抗壓強度都有影響，圖5所示為經歷不同溫度作用的混凝土動態抗壓強度與平均應變率的關系。

圖5 動態抗壓強度與平均應變率的關系Fig.5 The relationship between dynamic compressive strength and average strain rate

（1）應變率對動態抗壓強度的影響

從圖5中可以看出，隨著平均應變率的增加，經歷不同溫度的試件動態抗壓強度都有一定的增長，以目標溫度200℃的試件為例，應變率從33.70 s-1增長到117.43 s-1，動態抗壓強度從 67.53 MPa 增長到 94.09 MPa，強度增長幅度達到39.3%。采用最小二乘法將動態抗壓強度與平均應變率擬合，得到圖5中的擬合直線。設動態抗壓強度與平均應變率線性關系表達式為 σ =c+d，其中σ表示動態抗壓強度表示平均應變率，c、d為待擬合系數。將擬合得到的參數列于表4，R2表示線性相關系數。從表中可以看出，不同溫度下所得到的擬合直線的相關系數均在0.93以上，動態抗壓強度與平均應變率之間線性相關性良好。

表4 動態抗壓強度與平均應變率線性關系擬合表Tab.4 The linear relationship between dynamic compressive strength and average strain rate

（2）溫度對動態抗壓強度的影響

從圖5中看出，溫度對混凝土動態抗壓強度影響非常大，主要體現在兩個方面。

一方面：從擬合直線的斜率可以看出，混凝土在經歷高溫后，其動態抗壓強度隨著平均應變率增大而增長的趨勢有所下降，即材料應變率敏感性有所降低，其中以經歷400℃高溫的試件應變率敏感性降低最為明顯。

另一方面：高溫使混凝土動態抗壓強度有所降低。經歷200℃和400℃高溫的試件動態抗壓強度降低較少，尤其是經歷400℃高溫的試件，根據所擬合直線的走向，如果平均應變率低于70 s-1，強度將有可能超過常溫時的試件（試驗過程中發現，對于經歷400℃高溫的試件，如果繼續降低撞擊速度，將無法打壞試件，因此沒能獲得更低應變率下的動態抗壓強度）。同時這也是本文2.2（3）中所述在同一撞擊速度下，常溫試件與400℃試件平均應變率接近的原因。經歷600℃和800℃高溫的試件動態抗壓強度降低較為明顯。根據實測的平均應變率與動態抗壓強度的關系，分別取經歷常溫、600℃和800℃試件的平均應變率值為125.70 s-1、125.53 s-1、129.62 s-1時，其動態抗壓強度分別為 130.75 MPa、67.80 MPa、31.78 MPa，三者平均應變率相差很小，但經歷600℃和800℃高溫的試件動態抗壓強度只有常溫時試件的51.9%和24.3%。

混凝土經高溫作用后性能與常溫狀態差別巨大的原因［15-16］在于：混凝土是由固、液、氣三相組成的非均質材料，高溫時混凝土內各組分別發生了一系列復雜的物理和化學變化，進而影響到混凝土的力學性能。100℃ ～400℃：一方面混凝土內自由水逐漸蒸發，試件內部形成空隙和裂縫；另一方面混凝土內的水泥膠體失去自由水而收縮，加強了膠體同骨料間的咬合力致使強度有所回升，有時甚至超過混凝土在室溫時的原始強度，這種回升一般在400℃左右達到頂峰，因此在400℃時混凝土的動態抗壓強度以及平均應變率與常溫時接近。400℃ ～800℃：粗骨料與水泥砂漿的溫度變形差逐漸增大，界面裂縫不斷開展和延伸；水泥水化產生的Ca（OH）2在547℃左右開始分解生成CaO，經澆水冷卻后又將生成Ca（OH）2而產生有害膨脹，而水泥石中的鈣礬石（3CaO·Al2O3·3 CaSO4·32H2O）與水化硅酸鈣（CaO·Si2O3·mH2O，C-S-H）凝膠在400℃以上的高溫作用下將發生脫水分解，導致水泥石強度與骨料粘結強度的降低，同時石灰石骨料在高溫作用也將發生分解，使混凝土內部變得疏松，從而導致混凝土動態抗壓強度的急劇下降和平均應變率的提高。

3 結論

本文采用SHPB裝置研究了常溫和經歷200℃、400℃、600℃、800℃高溫作用后的混凝土的動態壓縮性能，獲得了動態壓縮應力-應變曲線，主要結論有：

（1）彈速與混凝土平均應變率之間以及平均應變率與混凝土動態抗壓強度之間都存在較好的線性關系；

（3）經高溫作用后混凝土的應變率敏感性有所下降，其中以經歷400℃高溫的試件降低最為明顯；

（4）與常溫相比，400℃以前混凝土動態抗壓強度降低不明顯甚至稍有升高，400℃后隨著溫度的增加而急劇下降，至800℃時動態抗壓強度不足常溫時試件的30%。

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