不同冷卻方式下高溫混凝土的動態力學特性

摘要： 為了研究高溫混凝土在不同冷卻方式下的動態力學特性，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行了動態力學性能試驗，得到了其在熱、水、力聯合作用下的力學特性，探究了冷卻方式、溫度和加載條件對平均應變率的影響，重點分析了高溫混凝土在不同方式冷卻后的動態應力-應變曲線，以及冷卻方式、溫度和加載速率對其破碎形態、動態抗壓強度、彈性模量、峰值應變及一系列動態效應的影響。結果表明：水冷混凝土試樣的平均應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變率近似呈線性關系；當溫度達到400 ℃ 及以上時，試樣顏色發生明顯改變，相同溫度下，水冷試樣比自然冷卻試樣的顏色更深，出現更多細微裂紋，骨料形態破壞更嚴重；不同冷卻方式下混凝土的動態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低于自然冷卻試樣；高溫混凝土試樣的峰值應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，混凝土的應變率效應越明顯；當溫度在200 ℃ 時，混凝土耗能系數出現反彈現象。

關鍵詞： 冷卻方式；沖擊；高溫混凝土；分離式霍普金森壓桿；動態力學特性；破壞形態

中圖分類號： O347.3 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

隨著現代化程度的升高，混凝土材料已被廣泛應用于基礎設施及國防設施的建造中[1]，其中公路隧道發展迅速，最新的調查統計結果顯示，我國公路隧道總里程已達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，一旦發生火災、爆炸、坍塌等突發事故，極易造成群死群傷的重大安全事件。火災和爆炸產生的高溫及沖擊會對公路隧道中混凝土材料的力學性能造成嚴重影響[2-3]，而在后續滅火作業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性能具有重要意義。

目前，在高溫混凝土力學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性能試驗，發現高溫作用后混凝土的結構構件和結構整體的抗力系數均會存在一定程度的降低，進而導致其力學性能發生較大改變；王孔藩等[5] 研究了不同骨料、不同強度的混凝土結構在火災后的性能，并與常溫下的混凝土進行了對比，發現當溫度達到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，發現高溫使得混凝土性能劣化嚴重，內部損傷增大，耐久性及抗滲透性能下降。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。

混凝土在經歷高溫后，不同的冷卻方式對其力學性能也會產生不同的影響。呂天啟等[7] 綜合考慮了冷卻和養護方式及靜置時間等因素對高溫后靜置混凝土的力學性能的影響，并采用雙曲線對應力-應變曲線的上升段進行擬合回歸。鄭鈺濤等[8] 研究發現，伴隨著溫度的提升，噴水冷卻試件的質量損失比自然冷卻試件的質量損失小，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的降幅更大。王珍[9] 探究了消防射水與火災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后的坍塌預測和評價方法。上述研究從質量損失率、楊氏模量、峰值應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，力學性能也會發生變化。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沖擊與靜態抗壓試驗，發現混凝土在高溫后動態破壞強度不斷降低、峰值應變不斷增大、應力-應變曲線趨于平緩，出現塑性流動現象且隨溫度升高愈加明顯。Kou 等[11] 為研究溫度與應變率聯合作用下混凝土在火和爆炸環境下的力學性能，設計了混凝土動態本構模型，并驗證了該模型的可行性和準確性。Watstein[12] 研究了不同配合比的混凝土在高速加載下的力學性能，試驗中最大加載應變率達10 m/s，結果表明，混凝土在動態加載下的強度和彈性模量都顯著大于靜力狀態下。Huo 等[13] 開展了高溫后混凝土的霍普金森壓桿沖擊動態力學性能試驗，結果表明，高溫會導致混凝土在不同加載速率下的動態效應發生變化。以上研究大多考慮了高溫與應變率聯合作用下混凝土各力學指標的變化。

截至目前，相關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特性，缺少混凝土材料在熱、水、力聯合作用下的試驗數據，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，其動態力學性能會如何發生變化，能否繼續滿足工程安全要求，結論尚不明確。為了進一步明確高溫混凝土經過不同方式冷卻后在沖擊載荷作用下的力學性能，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力-應變曲線、破碎特性、動態抗壓強度、彈性模量及動態效應等參數，來探究加載速度（應變率）、加熱溫度及冷卻方式3 種變量對混凝土力學性能的影響。

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，混凝土坯在養護室中進行28 d 齡期養護，養護溫度控制在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力學性能，本試驗采用 74 mm 的SHPB 裝置，其導桿系統包括撞擊桿、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）。試驗通過控制系統發射裝置內的氣壓來控制子彈加載速度，從而達到控制試件應變率的目的。試驗前進行空桿試射并將誤差調整在合理范圍，裝置示意圖如圖2 所示。試驗加熱設備采用上海大恒光學精密機械有限公司生產的SXL-1700 型高溫箱式電爐，最高加熱溫度可達1 700 ℃，滿足試驗設計要求。

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，加熱升溫速率設定為5 ℃/min，將養護至規定齡期的圓柱形混凝土試件表面晾干后進行加熱處理，為使試件內外均勻受熱，在達到目標溫度后恒溫靜置2 h，保證試件內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，在試樣及彈性導桿的接觸面涂抹凡士林。將圓柱形試樣放在2 根彈性導桿中間，當撞擊桿撞擊入射桿的一端時，會產生彈性壓縮脈沖力，利用應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），根據一維彈性波理論的二波法計算獲得試件的應力σs（t）、應變ε（t）、應變率`ε（t）：

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

為了減小彌散效應帶來的應力波振蕩現象[16]，保證試樣在試驗中的動應力平衡和常應變率加載，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[17]，在入射桿沖擊端的中心處裝置一個紫銅緩沖片，作為波形調整器，以過濾由高速碰撞產生的高頻振蕩，減小波的彌散現象，使試件中應力分布更加均勻[18]。結果表明，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：由于火災現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，根據文獻[19] 的試驗研究及現場試件情況，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 內達到室溫；自然冷卻是高溫后的試件在爐膛內自然冷卻至室溫。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫后混凝土微觀結構分析

高溫環境會對混凝土的骨料、水泥砂漿等內部材料造成熱損傷，從而對其微觀結構產生影響，并進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構進行拍攝，并對圖像進行二值化處理。圖5（a） 給出了未受高溫影響的混凝土試件的微觀形貌，整體來看結構較完整，骨料與水泥漿體之間連結緊密，未出現分離現象。經歷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一步水化，產生更多水化產物，結構整體更加緊密，在一定程度上提高了結構的完整性，與常溫試件相比，Ca（OH）2 數量減少、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。經歷400 ℃ 高溫作用后，水化產物中的結晶水分解，水泥漿體與未水化顆粒間的結合力減弱，C-S-H 凝膠的網狀結構開始破壞，出現大量裂縫，Ca（OH）2 大量減少，如圖5（c） 所示。經歷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物更加疏松，孔狀結構增多，骨料-水泥砂漿界面產生較大裂紋，大部分結晶水被分解，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，使其內部膨脹，結構發生損傷，宏觀上嚴重影響了試件的力學特性。

2.2 不同冷卻方式下混凝土試樣外觀變化規律

高溫混凝土試樣經歷不同冷卻方式后的外觀如圖6 所示。在經歷100 和200 ℃ 高溫之后，試件水分蒸發較少，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。在經歷400 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件的顏色發生明顯改變，并且由于混凝土內部水泥膠體與粗骨料的變形差不斷擴大，導致試樣出現開裂現象（裂紋用紅色線條標記），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為淺粉色，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生更多細裂紋。在經歷600 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件裂紋持續擴大并增多，顏色變為非常明顯的淺粉色，邊角產生了少量剝落情況，這是由于高溫下混凝土內部的水分和Ca（OH）2 遇熱分解，導致混凝土體積膨脹，初始尺寸改變，從而發生破壞；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，試件表面與內部產生溫度梯度，從而產生溫度應力所致[20]，具體情況如表2 所示。

2.3 靜態力學性能試驗結果分析

圖7 給出了靜力試驗實測得到的各溫度下混凝土的應力-應變曲線，加載速度均設定為12 m/s，由圖7可知，2 種冷卻方式下試件呈現相似的應力-應變曲線。隨著溫度升高，經過高溫的持續損傷，混凝土強度下降，試樣內部水蒸氣蒸發形成孔隙，應力-應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力更大、彈塑性階段斜率更高，彈性更好，這些現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力-應變曲線的重合度明顯高于水冷，此現象在峰后破壞階段更明顯。

從應力-應變曲線可以看出，混凝土試樣在受到撞擊時主要經歷了4 個階段。

（1） 壓密階段（階段Ⅰ），此過程極為短暫，在該階段，混凝土試樣受到沖擊后，試件內部受到擠壓出現微裂紋，隨著應力的增加，出現非線性的變形，此時試件應力-應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），此過程應力-應變曲線近似呈線性關系，混凝土試樣為彈性變形，試樣內部裂紋穩定擴展，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），此階段應力-應變曲線斜率總體變小，出現了應變軟化效應，混凝土試件發生塑性變形，應力-應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，持續時間更長。

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

2.4 動態力學性能試驗結果分析

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

從動態力學性能試驗后的混凝土破壞形態可以了解混凝土的力學性能，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，將破碎形態分為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生破壞，骨料多數保存完整。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，骨料形態也隨溫度升高發生破壞，說明此時骨料的力學性能受高溫影響，導致試件的動態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，并且出現了明顯的應變率強化效應，骨料的形態從開始的完整到逐漸受壓破壞，這一現象也導致混凝土試樣峰值應力增加；對比自然冷卻和水冷可知，水冷試樣骨料發生破壞更早，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生更多的微裂紋，導致混凝土承載力降低，從而產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變率的影響

通過控制SHPB 裝置氮氣瓶的閥門，可以調整炮管內的氣壓系統，從而調節撞擊桿的速度，實現不同應變率的加載，但試驗過程中很難實現恒應變率加載。本文中，通過在入射桿處粘貼波形整形器，達到近似恒應變率加載的效果，其中平均應變率取應變率首次達到峰值至試件達到最大應力之間的平均值，圖9 給出了SHPB 系統測速裝置測得的不同加載速度和不同冷卻方式下經歷不同溫度后混凝土平均應變率的關系，并根據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變率存在顯著差異，說明水冷方式下混凝土試樣應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變率之間的線性相關性影響均較小。加載速度與平均應變率的線性擬合關系可以表示為：

式中：-`ε"為平均應變率，v 為加載速度，a、b 為待擬合系數。

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

2.4.3 不同冷卻方式下高溫混凝土的動態應力-應變曲線

圖10 給出了不同溫度和不同冷卻方式下混凝土的應力-應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，混凝土的應力-應變曲線在不同的加載速率下都保持了基本形狀，但峰值應力和峰值應變存在一定的差異。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，混凝土的峰值應力和峰值應變均隨著加載速度的升高而增大，其中峰值應變的增長幅度大于峰值應力。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 ℃ 時表現最明顯。另外，水冷情況下，600 ℃ 時應力-應變曲線出現明顯規律波動，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，從而導致應力出現波動。

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抗壓強度，可以看出，其動態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%。可以看出，隨著加載速度的升高，2 種冷卻方式下混凝土試樣的動態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外溫差，導致試樣內部產生大量的收縮裂縫，從而對抗壓強度產生影響，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（對應溫度下應力-應變曲線的 0.4 倍峰值應力處的割線模量），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（E0（T）/E0）隨溫度的變化規律，由圖14 可知，在溫度低于400 ℃ 時，彈性模量損傷系數穩定下降，超過400 ℃ 后則大幅下降，破壞也更加明顯。經噴水冷卻后，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峰值應變

混凝土材料的峰值應變是反映其承載能力的重要指標，對工程實際有重要的參考價值。峰值應變取同組試件峰值應變的算術平均值，建立高溫混凝土峰值應變與常溫混凝土峰值應變之比（ε0（T）/ε0）與溫度、加載速度及冷卻方式的關系，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，峰值應變相對值越低，且溫度越高，加載速度對峰值應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），即動態強度與準靜態強度之比，來描述混凝土強度的應變率效應。圖16 給出了不同冷卻方式下各溫度混凝土的準靜態強度，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系。試驗結果表明，高溫對沖擊載荷作用下混凝土的應變率效應存在顯著影響，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部細裂紋的擴展，導致其抗外載荷能力增強，DIF 也隨之增大，且溫度越高，混凝土的應變率效應越明顯，說明高溫對混凝土產生的損傷增強了混凝土的應變率效應；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，發生形變直至破壞，其耗能規律的分析既能準確評估損傷，也能綜合評價混凝土的韌性指標，為此，引入耗能系數W （W=S0123（T）/S0123，其中S0123（T） 為經歷高溫的混凝土試件的應力-應變（σ -ε ）曲線經過峰值后，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均在200 ℃ 時出現小幅反彈，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的增幅分別為2.53%、2.17% 和3.37%。出現反彈現象是由于水泥顆粒在高溫下產生水蒸氣形成水化反應，使得混凝土內部水泥熟料在強度上得到正向增強，產生拮抗效應[21-22]，結合微觀圖像，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，熟料的減少導致拮抗效應降低，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構，對混凝土拮抗效應產生了影響。

3 結 論

通過對C30 混凝土開展SHPB 動態力學性能試驗，研究了冷卻方式、加熱溫度及加載速度3 個變量對混凝土應變率、破碎特性、動態力學特性及動態效應等參數的影響，得到以下主要結論。

（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。外觀變化方面，400 ℃ 前后，試樣顏色發生明顯改變，并出現開裂現象，相同溫度下，水冷試樣比自然冷卻顏色更深，出現更多細微裂紋。破壞形態方面，溫度和加載速度越高，骨料形態破壞越嚴重。相同溫度和加載速度情況下，水冷比自然冷卻產生更多小尺寸碎片。

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

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

（4） 不同冷卻方式下，混凝土的動態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，彈性模量損傷系數在400 ℃ 以后大幅下降。混凝土的峰值應變與加熱溫度成正比，與加載速度成反比，水冷時的峰值應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，應變率效應越明顯。自然冷卻下，混凝土的耗能系數在200 ℃ 時的回彈幅度大于水冷情況下。

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（責任編輯 蔡國艷）

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