不同溫度及加載速率對混凝土沖擊變形韌性影響

第一作者聶良學男，碩士生， 1990年生

通信作者許金余男，教授，博士生導師，1963年生

郵箱：jyx369@yeah.net

不同溫度及加載速率對混凝土沖擊變形韌性影響

聶良學1，許金余1,2，任韋波1，何強3

(1.空軍工程大學機場建筑工程系，西安710038；2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安710072； 3.沈空設計所，沈陽110000)

摘要：利用Φ100 mm SHPB分離式霍普金森壓桿裝置研究不同溫度及加載速率下混凝土沖擊變形韌性。結果表明，高溫后混凝土峰值、流動應變及沖擊韌性均隨加載速率增加而增加，應變率效應顯著；試件峰前韌性比不斷降低，峰后韌性比及韌性轉化比逐漸升高；同一加載速率下溫度升高總體上使混凝土峰值應變及流動應變增大、沖擊韌性降低，試件峰前韌性比呈上升趨勢，峰后韌性比及韌性轉化比逐漸下降；200 ℃時其沖擊韌性在低應變率下相對較小，在高應變率下超過常溫水平。

關鍵詞：混凝土；高溫；分離式霍普金森壓桿；加載速率；沖擊變形

收稿日期：2014-07-01修改稿收到日期：2014-11-11

中圖分類號:TU528.572文獻標志碼：A

Effects of temperature and impact velocity on impact deformation and toughness of concrete

NIELiang-xue1,XUJin-yu1,2,RENWei-bo1,HEQiang3(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China;3. The Graduate School of Design in Air Force of Shenyang, Shenyang 110000, China)

Abstract:Here, the impact deformation and toughness properties of concrete were studied under different temperatures and impact velocities by using a 100mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment. The test results indicated that after high temperature the peak strain, flow strain and impact toughness of concrete increase with increase in strain rate, the effect of strain rate on them is significant; simultaneously, increase in loading rate also leads to decreasing of pre-peak toughness ratio and increasing of post-peak toughness ratio and toughness conversion ratio; for the same loading rate, increase in temperature results in increasing of peak strain and flow strain, decreasing of impact toughness and an increasing trend of pre-peak toughness ratio; post-peak toughness ratio and toughness conversion ratio also consistently decrease with increase in temperature; in addition, at 200℃, the impact toughness of concrete firstly decreases, then increases with increase in strain rate compared with that at room temperature.

Key words:concrete; elevated temperature; split Hopkinson pressure bar; impact velocity; impact deformation

混凝土因原料豐富、價格低廉、生產工藝簡單等特點廣泛用于工業及民用建筑、道路橋梁、國防、人防等工程領域。近年來，隨其使用環境的不斷復雜化及特殊工程結構需求，諸多混凝土結構面臨高溫后耐久性及沖擊荷載作用的穩定性考驗，尤其工業、民用建筑火災及戰場環境威脅等。為掌握混凝土高溫動力響應規律[1-5]、合理進行混凝土結構耐高溫及抗沖擊設計，混凝土高溫后的沖擊動力特性研究尤其必要。

雖已有諸多對高溫后混凝土力學性能研究成果，但大多集中于對混凝土結構靜態的基本力學性能研究[6-9]，而對高溫后混凝土受沖擊荷載作用的變形特性及韌性規律研究相對較少。對不同溫度及加載速率下混凝土在整個破壞過程中的沖擊變形特性、韌性變化規律進行研究，有助于對其破壞變形、損傷劣化、能量演化機制及高溫后抗沖擊荷載能力進行綜合分析與評估，彌補從變形或能量單方面研究的局限性。本文利用Φ100 mm SHPB分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗裝置，對常溫(25℃)及經歷200℃、400℃、600℃、800℃高溫后混凝土進行沖擊壓縮試驗，研究不同沖擊速率、不同高溫的混凝土沖擊變形特性及沖擊韌性規律。

1試驗

1.1試件制備

原材料：42.5 R級普通硅酸鹽水泥；Ⅰ級粉煤灰，比表面積≥355 m2/kg；硅灰，比表面積15~27 m2/g；石灰巖碎石，平均粒徑5～20 mm；中砂，細度模數2.8；自來水；FDN高效減水劑。混凝土設計強度等級為C50，配合比見表1。據表1數據將攪拌均勻的拌合物裝入圓柱體鋼模，振搗成型后靜置1 d拆模，在標準條件下(溫度為20±2 ℃，相對濕度RH≥95 %)養護28 d后，經切割、水磨加工后制成約Φ98×50 mm的短圓柱體試件。

表1　混凝土配合比(kg/m 3)

1.2設備與方法

(1)

式中：E為桿的彈性模量；c為桿中波速；A，As為桿、試件橫截面積；ls為試件初始長度。

為消除傳統SHPB試驗中矩形加載波在傳播過程中的彌散效應，使試件在破壞前達到應力均勻狀態，采用波形整形技術，整形器為厚度1 mm、直徑30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm的圓形鋁片。

圖1　SHPB試驗系統 Fig.1 SHPB system

2結果與分析

2.1沖擊變形分析

應力應變曲線可直觀體現整個沖擊破壞過程中試件損傷演化、變形積累等特征。常溫試件在不同沖擊速率下應力應變曲線(以沖擊速率5.5 m/s，8.5 m/s下曲線為例)及試件經高溫后不同應變率下應力應變曲線(以400℃，800℃曲線為例)見圖2。由圖2可知，①在同一沖擊速率水平下，隨溫度升高曲線上升段逐漸變緩，峰值點右移且依次降低(沖擊速率為8.5 m/s時200℃曲線峰值應力較常溫偏大)，下降段逐漸變陡，甚至在較低沖擊速率(5.5 m/s)下溫度超過200℃后，曲線下降段有回彈趨勢；②作用溫度相同時，隨應變率升高曲線上升段總體趨于陡直，下降段趨于平緩，峰值點逐漸提高且呈右移趨勢；③隨溫度升高，曲線峰值點附近逐漸趨于平緩， 800℃時曲線具有一定波動性。

進一步分析高溫后試件在沖擊動荷載作用下的變形能力，研究試件在不同溫度及加載速率下的峰值應變。定義流動應變，當應力為80%峰值應力時，應力應變曲線上升、下降段各對應一個應變，流動應變即為兩應變之差。流動應變能反映試件破壞前后的變形性能，流動應變越大說明變形能力越強，見圖3。由圖3可知，①同一目標溫度下試件峰值應變隨應變率(沖擊速率)升高近似線性增長，具有明顯的應變率相關性；②同一加載速率下該應變隨溫度升高不斷增大；③200℃時流動應變較常溫偏小，說明此時試件變形能力較低；④隨溫度升高，峰值應變及流動應變溫度敏感性逐漸增強，即較常溫時其增幅隨溫度升高而增大(25℃、200℃、400℃、600℃、800℃下擬合直線斜率分別為3.66×10-4、3.96×10-4、6.32×10-4、9.19×10-4、9.97×10-4)，常溫~400℃時變化不明顯，而超過400℃時溫度弱化效應明顯增強。

圖2 高溫后混凝土動態應力應變曲線Fig.2Stress-straincurvesofconcreteafterelevatedtemperatures圖3 不同溫度、加載速率下峰值應變及流動應變 Fig.3Peakstrainandflowstrainunderdifferenttemperaturesandimpactvelocity

機理分析：高溫后混凝土試件沖擊變形特性受溫度、沖擊速率共同影響，呈顯著的“高溫軟化”及“應變率硬化”效應。經200℃高溫作用后試件內部大部分自由水蒸發，導致大量微裂縫、孔洞萌生、發展，此時其內部可變形空間增大，變形能力略有增強。隨溫度進一步升高部分結合水喪失，試件內部結構受到一定程度破壞，變形能力增強，表現為峰值應變升高。作用溫度超過400 ℃后，因原有水化產物不斷受熱膨脹、分解[11]，混凝土內部微裂縫、孔洞不斷擴展，劣化程度加劇，變形能力急劇增加。因此同一沖擊荷載作用下，隨溫度升高試件變形能力增強，致其峰值應變、流動應變均增大，且應力應變曲線峰值點較平緩；在沖擊荷載作用下，試件經歷荷載作用時間極短，裂紋萌生、擴展不足以將沖擊能量有效耗散，試件只有通過增加應力緩沖外界輸入的沖擊能量，且沖擊速率越大試件增加的抵抗應力越大，表現為應力應變曲線峰值應力越大。

2.2沖擊韌性分析

沖擊韌性是分析材料強度及變形能力的重要性能指標，也是表征材料在外荷載作用下變形能力的重要力學參數，衡量方法并不唯一。本文選動態應力應變曲線下方所圍面積表征試件的沖擊韌性。為分析試件破壞前后韌性的變化規律，不同溫度下試件動態應力應變曲線峰值點前、后(簡稱峰前、峰后)及整個破壞過程中沖擊韌性與加載速率間關系見圖4。由圖4可知，①同一目標溫度下，試件的總沖擊韌性及峰前、峰后沖擊韌性均表現出明顯的應變率效應，即應變率(沖擊速率)越大沖擊韌性越大；②同一應變率下試件沖擊韌性隨溫度升高而降低，但在200℃時變化較復雜，即在低應變率條件下，試件沖擊韌性僅為常溫的一半左右，而在高應變率條件下甚至超過常溫水平，亦即增幅最大；③200℃~600℃時試件峰前沖擊韌性受高溫作用影響不大，而800℃時沖擊韌性明顯降低。

圖4　不同溫度下沖擊韌性與加載速率之關系 Fig.4 Relationship between impact toughness and impact velocity under different temperatures

進一步定義峰前韌性比、峰后韌性比及韌性轉化比，即峰前沖擊韌性與總沖擊韌性之比、峰后沖擊韌性與總沖擊韌性之比及峰后沖擊韌性與峰前沖擊韌性之比。峰前韌性比越大表明能量積聚至臨界狀態越快，峰前強度喪失越快；峰后韌性比越大表明損傷演化越快，能量釋放越迅速，試件損傷、變形速度越快，見圖5。由圖5可知，高溫后試件沖擊韌性比及韌性轉化比受溫度、沖擊速率共同影響，即試件在同一目標溫度下，由于峰后韌性增長速率大于峰前，因此隨加載速率提高峰前韌性比不斷降低，峰后韌性比及韌性轉化比逐漸升高，而溫度升高總體上使試件在同一加載速率下的峰前韌性比呈上升趨勢，峰后韌性比及韌性轉化比逐漸下降；溫度越高曲線下降或上升趨勢越明顯，說明溫度弱化效應顯著。

圖5　不同溫度下韌性比與加載速率之關系 Fig.5 Relationship between toughness ratio and impact velocity under different temperatures

機理分析：試件受200℃高溫后初始損傷較低，且內部溫濕環境有助于未水化完全的水泥顆粒進行二次水化[12]，使其破壞所需臨界應力較大，因此在較低加載速率作用下外界輸入的沖擊能量部分用于試件變形破壞，部分以彈性能方式耗散釋放，故其沖擊韌性較低；隨加載速率提高外界輸入能量足以滿足試件破壞所需，裂紋產生速度、擴展程度不斷增加，耗能累積增大，致其沖擊韌性在較高加載速率下不斷提高，甚至超過常溫水平；隨作用溫度不斷升高試件內部劣化加劇，整體性能急劇下降，在外界動載作用下迅速失穩破壞，沖擊韌性顯著降低。

混凝土在變形過程中伴隨多種能量形式[13-14]，主要有彈性勢能、表面能、塑性勢能、輻射能及動能等，參照關于巖石破壞過程中能量轉化研究[15]，可認為在沖擊荷載作用下試件到達峰值應力前主要為彈塑性變形，即存儲應變能的耗散過程，而峰值應力后為能量急劇釋放過程，且隨應變率增大外界輸入能量逐漸增加，試件產生大量微裂紋、孔洞，致試件變形性能及沖擊韌性均獲得提高。加載速率較低時試件內部損傷相對較少，能量累積較少；加載速率較高時試件內部裂縫充分發展變形性能顯著提升，耗能明顯增加。

3結論

(1)高溫后混凝土試件峰值應變、流動應變及沖擊韌性均隨加載速率提高而增大。溫度升高使試件峰值應變、流動應變逐漸增大，沖擊韌性逐漸減小。

(2)隨加載速率提高試件峰前韌性比不斷降低，峰后韌性比、韌性轉化比逐漸升高；高溫總體使試件在同一加載速率下的峰前韌性比呈上升趨勢，峰后韌性比及韌性轉化比逐漸下降。

(3)混凝土經200℃高溫后內部變化較復雜，其綜合性能有所提升，沖擊韌性在低應變率下相對較小，在高應變率下甚至超過常溫水平。

(4)高溫后混凝土在峰值點前變形性能較好，在峰值點后變形性能甚至較常溫顯著下降。

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