基于Φ75 mm SHPB系統的高溫混凝土動態力學性能研究

王宇濤，劉殿書，李勝林，江雅勤

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

國民經濟和現代化住房剛性需求的快速發展，高層建筑已成為一種主流的住房需求，加之大量新材料應用于建筑行業及電器、燃氣的廣泛使用，大大增加了建筑火災的可能性。同時，火災往往還會導致火災爆炸，爆炸荷載作用下的工程結構會處于高溫、高壓以及高應變率等惡劣的環境中，而建筑物在火災中的倒塌，會對其下面的混凝土結構造成沖擊，導致其處于高溫沖擊狀態［1］。因此研究高溫條件下混凝土動態力學性能是必要的，而大多數研究是對高溫后混凝土力學性能分析［2－5］，高溫時對混凝土動態力學性能的研究并不豐富。因此，本文采用大直徑Φ75mm直徑SHPB試驗裝置分別對C30、C50、C60以及C70四種常用混凝土在高溫條件下的動態力學性能進行研究。

1 Φ75 mm高溫SHPB試驗技術及數據處理

1．1 Φ75 mm SHPB試驗技術

本試驗采用中國礦業大學（北京）配備動力自動控制系統的Φ75 mm SHPB試驗裝置，見圖1。

圖1 中國礦業大學（北京）Φ75 mmSHPB試驗裝置Fig．1Φ75 mm SHPB test apparatus of CUMTB

對于大直徑SHPB試驗，考慮到要滿足“一維假定”和“應力均勻性假定”的要求，需選擇具最佳長徑比的試件。根據李勝林等［6］的研究，對于Φ75mm大尺寸的SHPB裝置，混凝土類材料試件長度應為30～75 mm，即長徑比L／D＝0．4～1范圍內所取得的試驗數據是可信的，能準確反映材料的動態力學性能。故本實驗選用的試件尺寸為Φ75 mm×50 mm。

同時，為了減小大直徑桿的“彌散效應”，數據處理時盡量使用透射波來計算材料的力學參數，在波導桿與試件接觸的端面粘貼了厚度5 mm、直徑為75 mm的薄片，從而提高試件中應力的均勻程度，減小波形的震蕩［7］。

數據處理時，使用簡化的“三波”式［8－9］，進而得到混凝土應力－應變關系，如下：

式中：εi（t）、εr（t）和 εt（t）〗分別為桿中入射波、反射波和透射波的應變；A0為桿的橫截面積；E0和C0為桿材料的楊氏模量和彈性波波速；A和L分別為試件的原始橫截面積和長度。

1．2 高溫加熱試驗系統及保溫設備

混凝土為惰性材料，傳熱系數比較低，加熱緩慢，本試驗采用由龍口市電爐廠定做加工的陶瓷纖維電阻爐為加熱儀器，見圖2，以硅碳鎳棒為加熱元件，能有效對混凝土進行均勻加熱，爐膛額定溫度為1 300°C。另配備溫度控制器，見圖3，由此進行電爐溫度的測量、指示及自動控制。測溫儀器選用紅外測溫儀，其測溫范圍為－50℃～650℃，見圖4。

圖2 加熱電阻爐Fig．2 Experimental resistance furnace

圖3 溫度控制器Fig．3 Temperature control device

圖4 紅外測溫儀Fig．4 infrared thermoter

為了使加熱后的試件溫度不致下降得太快，本試驗利用石棉的隔熱特性制作了簡易的保溫設備。在支架上鋪1層石棉，把加熱后的試件迅速安裝好后，再蓋1層厚石棉和厚紙片，便形成一個簡單的加蓋保溫裝置。在相對封閉的熱系統內，試驗過程中溫度就能保持在允許的范圍內［10］。

表1 SHPB沖擊試驗過程歷時及試件溫度變化Tab．1 Duration and specimen surface temperature during SHPB impact test

動態試驗過程中從試件加熱后取出到試件組裝完成，經多次測試需要20 s左右，之后沖擊試驗過程需要15 s左右，從加熱爐中取出試件到沖擊試驗完成共需要大約35 s的時間。選取4組C30混凝土試件分別加熱到150℃、300℃、450℃和600℃，并在試驗的各個階段分別進行溫度測定，結果見表1。分析可知：試驗子彈撞擊時試件溫度相對于取出時的溫度下降約30℃，基本滿足試驗所需的精度。

2 Φ75 mm高溫SHPB試驗及動態力學性能分析

2．1 混凝土試件的制作及試驗設計

本試驗所用四種強度等級混凝土試件：C30、C50、C60、C70，是委托混凝土專業廠商制造，經標準養護（溫度20±3℃，濕度95%以上）后，按標準經切割、打磨后加工成Φ75 mm×50 mm的試件，見圖5。同時，試件兩端面采用磨床精密加工打磨，保證兩端面的不平行度在0．02 mm以內，從而可以提高試驗精度，本實驗的試件滿足要求。

圖5 混凝土試件Fig．5 Concrete specimens

本實驗的目的是為了系統地討論高溫時不同強度等級混凝土在相同試驗條件下的溫度效應。在SHPB鋼桿系統（統一選取子彈長度L＝400 mm，子彈速度v＝9 m／s）上分別對 C30、C50、C60和 C70四個強度等級，5組溫度條件下（常溫、150℃、300℃、450℃、600℃）共80個混凝土試件進行了沖擊壓縮試驗。同種強度等級的混凝土試件在相同溫度下各進行四次試驗，以增加試驗結果的可重復性。試驗結果取平均值，且結果重復性較好。

2．2 不同溫度下混凝土波形曲線分析

本試驗中，在Φ75 mm的大尺寸SHPB系統上，入射桿以相同撞擊速度（v＝9 m／s）撞擊不同溫度下的C30、C50、C60和C70混凝土試件，得到輸入桿和輸出桿上實測的應變波形曲線，由于篇幅限制，僅以C60混凝土為例，見圖6、7。

由不同溫度下C60混凝土的SHPB實測波形可以看出，由于本試驗采用相同的撞擊速度（v＝9．0 m／s）以及相同長度的子彈（L＝400 mm），因此，入射矩形波基本類似，幅值相似；反射波和透射波因溫度和混凝土標號的不同其幅值有所差異，正是不同標號混凝土動態力學性能的反映。

圖6 C60混凝土不同溫度時的入射波和反射波形Fig．6 The incident wave and reflected wave of C60 of different temperature

圖7 C60混凝土不同溫度時的透射波形Fig．7 The transmission wave of C30 of different temperature

2．3 不同溫度下混凝土的破壞形態

以C60在不同溫度下的破壞形態為例，進一步印證上述由波形曲線得到的結論，見圖8。

圖8 不同溫度下C60混凝土試件破壞形態Fig．8 C60 concrete specimen failure pattern under different temperature

從圖8可以看出不同溫度時C60混凝土試件的破壞情況，當溫度低于300℃時，試件分成幾大塊，其中主要部分還未破碎；在溫度高于450℃溫度較高時，隨著溫度的增加，試件發生爆炸式破壞，完全破碎。

2．4 高溫時混凝土動態力學性能研究

依據“三波”公式可以得出在沖擊載荷作用下（應變率范圍在130～140 s－1間）混凝土的動態應力－應變關系［11］，見圖 9。

圖9 不同強度混凝土高溫下的動態應力－應變曲線Fig．9 Dynamic stress-strain curve of different strength concretes under high temperature

從圖9中可見，四種強度的混凝土在5種不同溫度下應力－應變曲線有著相似的規律：

（1）隨著溫度的升高，混凝土的強度不斷降低，而峰值應變不斷增加，應力－應變曲線變得越來越平緩。

（2）隨著溫度升高直至450℃時，在較快的初始上升段后，隨著應變的增加應力上升增加的速率明顯減慢，出現了塑性強化現象；600℃時，這種現象更加明顯，450℃及600℃時后半段的塑性流動段已經變得非常的長。這說明作為脆性材料的混凝土在遭受溫度影響后，出現了塑性流動現象，這種塑性流動現象隨著溫度的升高而越來越明顯。

（3）由圖中還可以發現，4種不同強度的混凝土試件在四組高溫條件下的應力應變曲線非常相似，與常溫曲線構成了明顯的差別。

可見，混凝土在遭受溫度影響后，在壓縮荷載的作用下，混凝土韌性也越來越好。

提取曲線中的數據得到具體的應力峰值和與之對應的應變值以及最大應變率和平均應變率，如表3～6所示。

表3 C30混凝土試件撞擊后的情況Tab．3 The damage of limestone specimen of concrete of C30

表4 C50混凝土試件撞擊后的情況Tab．4 The damage of limestone specimen of concrete of C50

表5 C60混凝土試件撞擊后的情況Tab．5 The damage of limestone specimen of concrete of C60

表6 C70混凝土試件撞擊后的情況Tab．6 The damage of limestone specimen of concrete of C70

于是，得到了C30、C50、C60、C70四種強度等級混凝土在不同溫度下的動態破壞強度隨著強度等級的變化曲線及破壞時的應變隨溫度變化曲線，見圖10、11。從而得到其溫度效應的一般規律。

圖10 不同等級混凝土破壞強度隨溫度變化曲線Fig．10 Breaking stress-temperature curve of concrete

圖11 混凝土破壞應變隨溫度變化曲線Fig．11 Damage strain-temperature curve of concrete

由圖10可以看出：

（1）在高溫條件下，隨著混凝土強度等級的增加其動態強度也在增加；

（2）四種強度等級的混凝土均表現出明顯的溫度效應。破壞強度隨溫度的變化規律一致，即隨著溫度的增加，破壞強度有不同程度的降低。但是，可以發現，在常溫～150℃時四種強度等級混凝土破壞強度下降幅度大致相同，約為30 MP左右；150℃～600℃時則出現明顯差異，C60下降幅度較小，在300℃～600℃時破壞強度甚至超過了C70；當問溫度到600℃時，各強度等級混凝土的破壞強度已相差不大。

由圖11也可以看出，不同等級的混凝土在不同溫度下其破壞應變也都表現出溫度增加效應，溫度達到600℃時，四種強度的混凝土其破壞應變相差不大。

3 結 論

（1）C30、C50、C60、C70混凝土在不同溫度下動態壓縮試驗結果表明：隨著溫度的升高，混凝土動態破壞強度不斷降低，且高強度等級混凝土的動態破壞強度總體上高于低強度等級混凝土的破壞強度，同時動態破壞應變總體上不斷增大，四種強度等級混凝土變化規律一致，具有明顯的溫度效應；

（2）隨著溫度的增加，混凝土的應力－應變曲線均變得越來越平緩，隨著應變的增加應力上升增加的速率明顯減慢，反應出混凝土的塑性流動現象隨著溫度的升高而越來越明顯，韌性越來越強；

（3）當溫度達到600℃時，各強度等級混凝土的破壞強度已相差不大，可將600℃看作是混凝土結構失效的臨界溫度，即大于600℃時混凝土強度完全失效。

研究高溫下混凝土動態效應的影響，說明混凝土材料具有一定的耐高溫和抗沖擊性能并且在高溫（450℃以上）、中高應變率下（130～140 s－1）其韌性有所提升，為混凝土結構高溫下抗沖擊和抗火災倒塌性能進行合理的設計與評估提供了基礎的試驗依據。

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