高溫作用下混凝土動態力學性能時間效應試驗研究

李洪超，劉殿書，黃永輝，梁書鋒，李明慧

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;2.昆明理工大學 電力工程學院，昆明 650500)

混凝土材料作為當代最重要的土木工程材料之一，正在被廣泛地應用于建筑與橋梁等工程領域。隨著國民經濟的快速發展，城市建筑越來越高且密度越來越大，這無疑增大了火災的危險性和撲救的難度，近年來因火災而導致建筑物倒塌的事故時有發生。同時，大量人為的恐怖爆炸事件和化工廠由于操作不當等原因引發的事故不僅使建筑結構遭受爆炸和火災的襲擊，也會因此而發生結構的連續倒塌［1］。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［2］。

在爆炸事故時有發生的情況下，作為最常見建筑材料的混凝土有同時經受爆炸沖擊和爆炸引起高溫影響的危險。為改善建筑結構的抗爆性能，有必要對混凝土材料在高溫條件下的動態力學性能進行研究。李奎等［3］、范飛林等［4］和陶俊林等［5］利用 SHPB 系統對混凝土試件進行了不同溫度下的沖擊壓縮試驗，分別證明了混凝土具有明顯的應變率效應和溫度損傷效應以及溫度變化是影響混凝土力學性能的主要因素;賈彬等［6－7］利用SHPB系統進行了高溫、沖擊載荷下的混凝土動態力學特性試驗，得到了混凝土在高溫下出現了塑性流動現象，且動態抗壓強度隨加載應變率增加而增大，隨溫度升高而減小的結果;Li等［8］利用SHPB裝置對混凝土室溫與高溫后的動態力學性能進行對比試驗，得出了當溫度在400℃ ～800℃之間時，其動態抗壓強度明顯降低，臨界應變明顯增大的結論。雖然已有眾多學者進行過混凝土的高溫力學性能試驗，但關于高溫且不同加熱時間對混凝土動態力學性能影響的研究卻很少見到。因此，本文在高溫且不同加熱時間的條件下，利用Φ75mm SHPB試驗裝置進行混凝土的動態抗沖擊試驗，研究溫度和加熱時間對混凝土動態力學性能的影響，為合理評估混凝土建(構)筑物在火災(高溫)下的抗沖擊和抗倒塌性能提供試驗依據。

1 高溫下C60混凝土的SHPB試驗

1.1 試驗材料

試驗用混凝土采用C60標準配合比，經過拌合、裝模、振搗、拆模，在放入中國礦業大學(北京)的土木實驗室標準養護室(溫度20±30℃，濕度95%以上)養護28天后，委托混凝土專業廠商加工成Φ75mm×50mm的標準圓柱體試件(見圖1)。

圖1 C60混凝土試件Fig.1 C60concrete specimens

1.2 試驗儀器

圖2 中國礦業大學(北京)Φ75mm SHPB試驗裝置Fig.2 Φ75mm SHPB test apparatus of CUMTB

圖3 加熱電阻爐Fig.3 Temperature control device

圖4 溫度控制器Fig.4 Experimental resistance furnace

圖5 紅外測溫儀Fig.5 Infrared thermoter

試驗采用中國礦業大學(北京)國家重點實驗室自行設計建立的一套Φ75mm SHPB試驗裝置(見圖2)。SHPB試驗裝置主要由動力系統、壓桿系統、測量記錄系統三部分組成。試驗所采用的加熱設備為龍口市電爐廠生產的陶瓷纖維電阻爐(見圖3)，額定溫度為1300℃;另配備溫度控制器對電爐的溫度進行測量、指示和自動控制(見圖4);測溫儀器采用紅外線測溫槍(見圖5)，其測溫范圍為－50℃ ～900℃。

1.3 試驗步驟

(1)試件在不同溫度中形成穩態溫度場的加熱時間

試驗共設六種不同的試驗溫度，分別是室溫、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃。為了保證對試件加熱均勻，使試件內外溫度一致，采用ANSYS有限元軟件對混凝土試件在高溫爐中的溫度場進行計算分析，以確定不同溫度組試件的加熱時間。采用SOLID70單元對溫度場進行計算，計算時設置試件半徑為37.5mm，長度為50mm;熱交換系數k為50 W(m2*K);試件的初始溫度為20℃，目標溫度為500℃;混凝土的熱傳導系數，當溫度小于293℃時取1.335，當溫度大于293℃取 －0.001241 T+1.7162;混凝土的密度為2300 kg/m3;混凝土的比熱容為840+420*T/850。

其計算結果僅以爐膛溫度400℃時為例，圖6為400℃條件下加熱10 min時試件內部溫度的分布情況，圖7為400℃條件下試件在形成均勻溫度場時的溫度時程曲線。

由上述計算可知，對試件進行高溫加熱時，爐膛內形成100℃、200℃、300℃、400℃、500℃穩態溫度場所需時間分別為 50 min，60 min，75 min，80 min，130 min。

(2)試件在不同穩態溫度場基礎上的加熱持續時間(穩態溫度場持時)

圖6 400℃加熱10 min試件溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution graph after heating 10 min in 400℃

圖7 400℃試件中心、底面中心、上緣三點溫度時程曲線Fig.7 Three points temperature time-history curves on the specimen

在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃穩態溫度場的基礎上，為了研究不同加熱時間對混凝土力學性能的影響，又設 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min五個等級的加熱持續時間，即穩態溫度場持時，分別用－0，－1，－2，－3，－4代表。因此，各溫度組試件所需加熱的總時間如表1所示。

表1 試件加熱時間分配表(min)Tab.1 The specimen heating time allocation table(min)

(3)試驗裝置

用溫度控制器將電阻爐的溫度設定到指定溫度，當爐膛內的溫度達到設置溫度后將試件放入其中，用纖維電阻爐對試件進行加熱使試件內外形成均勻的溫度場。

試驗前，需要將撞擊桿、輸入桿、和輸出桿調整到同一個平面上，并使3桿的軸心線相互連接成為一條直線，設置好測試軟件參數，將動力系統充到預定氣壓，在試件安裝完成后便可進行沖擊試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 高溫中混凝土的波形曲線及破壞形態

鑒于篇幅關系，本文只列舉出100℃高溫環境中部分試件沖擊波形曲線和破壞形態。

從圖9可以看出在100℃不同加熱時間的情況下，C60混凝土試件的破壞情況發生了明顯的變化，當加熱時間＜110 min時，試件被破壞成幾大塊;當加熱時間＞140 min時，試件被完全破壞。

圖8 100℃穩態溫度場持時120 min的混凝土試件沖擊試驗實測波形Fig.8 Concrete specimen impact experiment practical measured wave shape under 100℃steady-state temperature field and heating duration being 120min condition

圖9 100℃不同穩態溫度場持時的混凝土試件沖擊破壞形態Fig.9 Concrete specimen impact failure pattern under 100℃steady-state temperature Field and different heating time

2.2 高溫下不同加熱時間的試件動態力學性能研究

在本次試驗中，根據“三波”公式可以得出在沖擊載荷作用下(應變率范圍在73～117 s－1間)C60混凝土試件的動態應力－應變關系曲線［9－10］;采用最小二乘法將峰值應變與動態抗壓強度分別與加熱時間進行擬合分析，得到峰值應變與加熱時間和動態抗壓強度與加熱時間擬合曲線(擬合曲線所需試件動態性能參數以表2為例)。

(1)100℃高溫下試件動態力學性能分析

由圖10～13可知，在100℃的穩態溫度場中，隨著加熱時間的不斷增加，試件的動態抗壓強度不斷減小，彈性模量顯著降低，峰值應變總體上呈增大趨勢;當穩態溫度場持時為0 min、30 min、60 min時，試件的動態抗壓強度均高于室溫條件下的動態抗壓強度;當穩態溫度場持時為90 min、120 min時，試件的動態抗壓強度均低于室溫條件下的動態抗壓強度。

表2 100℃試件動態力學性能參數統計表Tab.2 Dynamic mechanical property parameter statistics of specimen at 100℃

備注:N為沖擊試驗試件編號，100－4－1表示在100℃穩態溫度場持時120 min的第一塊試件;RT為室溫;T為溫度℃;ε為峰值應變;σ為動態抗壓強度(MPa);t為總加熱時間(min);由于篇幅關系，200℃、300℃、400℃、500℃試驗所得試件動態力學性能參數不再列出。

圖10 100℃不同加熱時間動態應力應變關系曲線Fig.10 Dynamic stress-strain curves at100℃and different heating time

圖11 100℃加熱時間與彈性模量關系曲線Fig.11 Heating time-elasticity modulus curve at 100 ℃

圖12 100℃加熱時間與峰值應變關系曲線Fig.12 Heating time-peak strain curve at100 ℃

圖13 100℃加熱時間與動態抗壓強度關系曲線Fig.13 Heating time-dynamic strength curve at 100 ℃

(2)200℃高溫下試件動態性能分析

由圖14～17可知，在200℃的穩態溫度場中，隨著加熱時間不斷增加，試件的動態抗壓強度總體上減小，彈性模量減小，峰值應變總體上增大;當穩態溫度場持時為 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min 時，試件的動態抗壓強度均高于室溫條件下的動態抗壓強度。

(3)300℃高溫下試件動態性能分析

由圖18～21可知，在300℃的穩態溫度場中，隨著加熱時間的不斷增加試件動態抗壓強度降低，彈性模量減小，峰值應變增大;當穩態溫度場持時為0 min、30 min、60 min、90 min、120 min 時，試件的動態抗壓強度均高于室溫條件下的動態抗壓強度。

圖14 200℃不同加熱時間動態應力應變關系曲線Fig.14 Dynamic stress-strain curves at200℃and different heating time

圖15 200℃加熱時間與彈性模量關系曲線Fig.15 Heating time-elasticity modulus curve at200 ℃

圖16 200℃加熱時間與峰值應變關系曲線Fig.16 Heating time-peak strain curve at200 ℃

圖17 200℃加熱時間與動態抗壓強度關系曲線Fig.17 Heating time-dynamic strength curve at200 ℃

圖18 300℃不同加熱時間動態應力應變關系曲線Fig.18 Dynamic stress-strain curves at 300℃and different heating time

圖19 300℃加熱時間與彈性模量關系曲線Fig.19 Heating time-elasticity modulus curve at 300 ℃

圖20 300℃加熱時間與峰值應變關系曲線Fig.20 Heating time-peak strain curve at300 ℃

(4)400℃高溫下試件動態性能分析

由圖22～25可知，在400℃的穩態溫度場中，隨著加熱時間不斷增加，試件的動態抗壓強度不斷降低，彈性模量減小，峰值應變總體上增大;當穩態溫度場持時為0 min、30 min、60 min時，試件的動態抗壓強度均高于室溫條件下的動態抗壓強度;當穩態溫度場持時為90 min、120 min時，試件的動態抗壓強度均明顯小于室溫條件下的動態抗壓強度。

圖21 300℃加熱時間與動態抗壓強度關系曲線Fig.21 Heating time-dynamic strength curve at300 ℃

圖22 400℃不同加熱時間動態應力應變關系曲線Fig.22 Dynamic stress－ strain curves at400℃and different heating time

圖23 400℃加熱時間與彈性模量關系曲線Fig.23 Heating time-elasticity modulus curve at400 ℃

圖24 400℃加熱時間與峰值應變關系曲線Fig.24 Heating time-peak strain curve at400 ℃

圖25 400℃加熱時間與動態抗壓強度關系曲線Fig.25 Heating time-dynamic strength curve at400℃

(5)500℃高溫下試件動態性能分析

由圖26～29可知，在500℃的穩態溫度場中，隨著加熱時間的增加，試件的動態抗壓強度先是降低而后趨于穩定，彈性模量減小，峰值應變增大;當穩態溫度場持時為0 min時，試件的動態抗壓強度高于室溫條件下的動態抗壓強度;當穩態溫度場持時為30 min、60 min、90 min、120 min時，試件的動態抗壓強度均明顯小于室溫條件下的動態抗壓強度。

圖26 500℃不同加熱時間動態應力應變關系曲線Fig.26 Dynamic stress-strain curves at 500℃and different heating time

圖27 500℃加熱時間與彈性模量關系曲線Fig.27 Heating time-elasticity modulus curve at 500 ℃

2.3 高溫下試件動態性能分析

圖28 500℃加熱時間與峰值應變關系曲線Fig.28 Heating time-peak strain curve at500 ℃

圖29 500℃加熱時間與動態抗壓強度關系曲線Fig.29 Heating time-dynamic strength curve at500 ℃

為研究不同溫度對試件動態力學性能的影響，將各溫度下剛剛形成穩態溫度場時(穩態溫度場持時0 min)試件的峰值應變與動態抗壓強度分別和溫度進行擬合分析，得到圖30～31中擬合曲線。由圖30～31可知，隨著加熱溫度的升高，試件動態抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，峰值應變不斷增大，且當溫度達到200℃左右時，試件動態抗壓強度達到最大。

3 結論

(1)在不同高溫下，隨著溫度的升高試件動態抗壓強度先增大后減小，且當溫度達到200℃左右時，試件動態抗壓強度達到最大;隨著溫度的升高，試件峰值應變增大，試件表現出明顯的塑性流動現象。

(2)在相同高溫不同加熱時間條件下，隨著加熱時間的增加，試件動態抗壓強度不斷降低，且在500℃的穩態溫度場中，當加熱時間＞190 min時，試件動態抗壓強度已經不再降低趨于穩定。

(3)在相同高溫不同加熱時間條件下，隨著加熱時間的增加，試件峰值應變不斷增大，彈性模量不斷減小，試件韌性越來越來越強。

(4)在高溫環境中混凝土材料力學性能的劣化必將導致凝土構件強度的減弱，這必將大大影響混凝土結構在火災(高溫)下的抗沖擊和抗倒塌性能。因此，在混凝土材料室內高溫撞擊試驗的基礎上，進一步深入研究混凝土試件力學性能劣化和混凝土構架強度之間的關系有著重大的工程實際意義。

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