靜動組合荷載下混凝土高溫后的雙軸動態(tài)力學性能

王志航　許金余　王騰蛟　孟博旭　劉高杰

摘 要：由于試驗的復雜性，高溫后混凝土在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)力學性能研究一直較少，但在建筑物火災(zāi)和國防軍事防護工程中，混凝土結(jié)構(gòu)多處于多軸應(yīng)力和沖擊荷載的共同作用下。為研究靜動組合荷載下混凝土高溫后雙軸動態(tài)力學性能，采用真三軸靜、動力綜合加載試驗系統(tǒng)，使用真三軸試驗機預(yù)先施加雙軸軸壓，再利用SHPB試驗裝置，分別對常溫（25 ℃）和200、400、600、800 ℃高溫后混凝土試件施加沖擊動載，發(fā)現(xiàn)了雙軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土在高溫后的動態(tài)力學性能規(guī)律性。結(jié)果表明：溫度變化是影響高溫后混凝土雙軸動態(tài)力學性能的主要因素，應(yīng)變率變化是次要因素;當溫度大于400 ℃時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)屈服平臺，混凝土韌性比低溫時有顯著提高。200 ℃是高溫后混凝土雙軸動態(tài)抗壓強度的轉(zhuǎn)折溫度，當溫度繼續(xù)升高時，雙軸動態(tài)抗壓強度明顯下降。

關(guān)鍵詞：混凝土;高溫;靜動組合荷載;力學特性;應(yīng)變率

中圖分類號：TU502? ?文獻標志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0094-08

Abstract： Due to the complexity of the experiment， the research on the dynamic mechanical properties of concrete under complex stress conditions after high temperature has been less， but in building fires and defense and military protection projects， concrete structures are mostly under the combined action of multiaxial stress and impact loads. In order to study the biaxial dynamic mechanical properties of concrete after high temperature under combined static and dynamic loads， a true triaxial static and dynamic comprehensive loading experimental system is used. A true triaxial test machine is used to apply biaxial axial pressure in advance， and the SHPB test device is used to apply dynamic load to concrete specimens after atmospheric temperature （25 ℃） and 200， 400， 600， 800 ℃ high-temperature， respectively， finding the regularity of the dynamic mechanical properties of concrete under the biaxial stress state after high temperature. The test results show that： temperature change is the main influencing factor of the biaxial dynamic mechanical properties of concrete after high temperature， and strain rate change is the secondary factor; when the temperature is higher than 400 ℃， the stress-strain relationship curve shows a yielding platform， and the concrete toughness is significantly improved than under low temperature. 200 ℃ is the transition temperature of biaxial dynamic compressive strength of concrete after high temperature. When the temperature continues to increase， the biaxial dynamic compressive strength decreases significantly.

Keywords：concrete; high temperature; combined static and dynamic loads; mechanical characteristics; strain rate

隨著混凝土在工業(yè)與民用建筑、國防軍事防護工程中的廣泛使用，其在高溫環(huán)境下由于力學性能和耐久性劣化，造成的工程結(jié)構(gòu)安全性降低問題逐漸突出。在實際的建筑物火災(zāi)和核電站事故中，往往存在建筑內(nèi)部的化學爆炸、建筑上部構(gòu)件坍塌和噴水滅火等產(chǎn)生的沖擊載荷，同時，很多混凝土結(jié)構(gòu)處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。另外，在國防工程防護中，混凝土結(jié)構(gòu)也應(yīng)考慮多軸應(yīng)力和炸彈爆炸高溫沖擊的共同作用。在這些環(huán)境中，都必須考慮高溫、多軸應(yīng)力狀態(tài)和沖擊荷載耦合作用對混凝土的影響。

對混凝土在高溫下的力學性能研究起步較早，從20世紀五六十年代就開始了大量研究[1-3]。但從現(xiàn)有的資料來看，有關(guān)高溫下混凝土力學性能的研究多為靜態(tài)力學性能，動態(tài)力學性能研究較少，且主要集中在高溫與動荷載耦合作用下的力學性能研究[4-9]，很少考慮初始靜荷載的存在。復雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土動態(tài)力學性能的研究較多[10-13]，但相關(guān)高溫與復雜應(yīng)力狀態(tài)共同作用下混凝土動態(tài)力學性能研究才剛剛起步。

鑒于此，筆者采用真三軸靜、動力綜合加載試驗系統(tǒng)，對處于雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的高溫后混凝土進行沖擊荷載試驗，通過分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、雙軸動態(tài)抗壓強度、平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系，研究溫度對混凝土雙軸動態(tài)力學性能的影響，從而為建筑物火災(zāi)和核電站事故后的安全性分析、國防軍事防護工程的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的P.O 42.5R級水泥由秦嶺水泥有限公司生產(chǎn)，表1為其基本參數(shù)。粗骨料選用粒徑5～20 mm的涇陽縣石灰?guī)r碎石，密度2.70 g/m3，堆積密度1 500 kg/m3，含泥量0.2%。細骨料采用灞河中砂，級配良好，細度模數(shù)2.78，密度2.63 g/m3，堆積密度1 620 kg/m3，含泥量1.1%。采用符合檢測標準的自來水。減水劑選用FDN高效減水劑。表2為每立方米混凝土的配合比及性能指標。

1.2 試驗設(shè)備

加熱設(shè)備采用BLMT型箱式高溫電爐，如圖1所示，加熱原理為熱傳遞方式，爐膛尺寸500 mm×500 mm×500 mm，發(fā)熱原件為硅碳棒，共8根，均勻安裝在爐膛左右兩面，最高升溫1 000 ℃，額定電壓380 V，額定功率20 kW。采用真三軸靜、動力綜合加載試驗系統(tǒng)（如圖2所示）

對混凝土試件施加靜動組合荷載，通過靜力加載系統(tǒng)對高溫后的混凝土試件施加雙軸靜荷載，然后通過動力加載系統(tǒng)對混凝土試件主軸方向施加沖擊荷載。

真三軸靜、動綜合加載試驗由洛陽騰陽機械科技有限公司與西安航空大學聯(lián)合開發(fā)，主要由靜力加載系統(tǒng)和動力加載系統(tǒng)兩部分組成。靜力加載系統(tǒng)為真三軸試驗機，可以進行3個垂直方向的獨立加載、卸載以及復雜路徑的試驗。動力加載系統(tǒng)基于SHPB理論[14-16]設(shè)計，主體試驗設(shè)備包括壓力裝置、撞擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿、操作臺等部分。

在實際的軍事防護工程建筑和工業(yè)民用建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱、板等基本構(gòu)件相互連接、相互約束，大多處于雙軸或三軸應(yīng)力狀態(tài)。如簡支梁的截面受到彎矩和剪力的作用，處于雙軸應(yīng)力狀態(tài)?？紤]沖擊荷載的作用，試驗采用的靜動組合荷載的施加如圖3所示，σ1、σ2為雙軸靜荷載，σ動為沖擊荷載。

1.3 試件的制備

先將立方體鋼模刷油以防止粘模具，再將根據(jù)表2配合比拌和的混凝土置入鋼模中，然后在振動臺上振動成型。試件室內(nèi)放置24 h后拆模，對制備的試件進行標準養(yǎng)護，養(yǎng)護28 d。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和70 mm×70 mm×70 mm的立方體。

試驗采用5組溫度，分別為常溫（25 ℃）、200、400、600、800 ℃。每組6個混凝土試件，3個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件用于測量高溫后的強度，3個70 mm×70 mm×70 mm的立方體試件用于測量高溫后雙軸動態(tài)力學性能，試驗結(jié)果取平均值。在對試件進行高溫加熱過程中，采取了降低含水率和溫度梯度兩個措施來降低混凝土產(chǎn)生爆裂的可能性。通過將試件放入100 ℃ 的電爐箱內(nèi)恒溫15 min來降低含水率;通過調(diào)節(jié)電爐電壓至70 V（升溫速率為0.5 ℃/s）來減小溫度梯度。

將電爐箱清理干凈后，關(guān)閉箱門，打開電源，調(diào)節(jié)溫控器至100 ℃。加熱完畢后，將標準試件置于電爐箱內(nèi)，恒溫15 min進行除濕。調(diào)節(jié)溫控器，將試件加熱到相對應(yīng)的溫度后，恒溫6 h，使試件物理化學反應(yīng)更充分和達到穩(wěn)定溫度場。然后打開箱門，將試件取出，自然冷卻，制成不同高溫后的混凝土試件。試件加熱過程中，有少量蒸汽從電阻爐內(nèi)冒出，混凝土失水。高溫后，試件整體性保持較好，800 ℃后有個別邊角骨料脫落，可以看出存在許多小裂縫，但沒有嚴重開裂。試件在高溫前后的狀態(tài)如圖4所示。

1.4 試驗方法

通過HYY型電液伺服加載試驗系統(tǒng)測得混凝土高溫后的強度，不同高溫后的混凝土試件，其抗壓強度明顯下降。為防止試件未經(jīng)歷動荷載就破壞，對試件施加的雙軸靜載不能過大，定義軸壓比與側(cè)壓比為軸向和側(cè)向壓力與對應(yīng)高溫后混凝土強度的比值。試驗采用的軸壓比∶側(cè)壓比為0.4∶0.4，將不同溫度后的試件安裝在真三軸試驗機的加載板間，試件加載面與加載板之間增設(shè)減摩墊層。按0.3～0.5 MPa/s的加載速率在水平方向的X軸和Y軸施加壓荷載，直至預(yù)定荷載。再通過動力加載系統(tǒng)中的空氣壓縮機以0.3 MPa的壓縮空氣推動子彈，子彈以一定速率撞擊入射桿，從而對試件水平方向的X軸施加動荷載，如圖5所示。試驗測得的數(shù)據(jù)如表3所示。試件高溫后靜態(tài)單軸抗壓強度通過σ=FS計算得到。試件高溫后雙軸動態(tài)抗壓強度σ通過三波法計算得到

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的影響

利用“三波法”對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，圖6為相同軸壓比∶側(cè)壓比的靜動組合荷載下混凝土高溫后雙軸動態(tài)抗壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，為平均值曲線;圖7為200、800 ℃高溫后混凝土試件雙軸動態(tài)抗壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖6可以看出，不同溫度后，混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的形狀大致相同，與常溫下曲線相似。在25 ～200 ℃范圍內(nèi)，曲線為單峰曲線，有明顯的峰值，沒有平臺;但當溫度在400 ～800 ℃范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)明顯的平臺，而且峰后階段較為平緩，沒有發(fā)生迅速跌落，混凝土在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持強度。高溫后靜動組合荷載下，曲線的線性段比常溫時有所下降，線性段下降的幅度與溫度的大小直接相關(guān)，溫度越大，線性段下降的幅度越大;經(jīng)歷高溫作用后，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，混凝土變脆，彈性模量減小，溫度軟化作用明顯。隨著溫度的升高，峰部先抬高后下降;當溫度為200 ℃時，峰部最高，峰值應(yīng)力提高。

混凝土是一種多相混合材料，且隨外界環(huán)境條件的變化而變化。溫度作用下混凝土各種物理、化學變化等共同影響混凝土的雙軸動態(tài)強度及變形特性。由圖6可知，在一定條件下表現(xiàn)為溫度的強化效應(yīng)，在另外一些條件下表現(xiàn)為溫度的弱化作用。溫度作用下混凝土各種微缺陷的孕育、擴展和匯合，各種水分的轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)，各種礦物成分的分解、轉(zhuǎn)化，共同影響著高溫后混凝土的雙軸動態(tài)力學性能。

同時，混凝土材料在靜動組合荷載下的動態(tài)行為與靜力作用下的力學行為最顯著的區(qū)別是混凝土力學特性的應(yīng)變率敏感性。當溫度升高時，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變時的應(yīng)變率敏感性增強，在圖6應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線上表現(xiàn)為峰部出現(xiàn)平臺，峰后曲線下降變緩。

2.2 溫度對混凝土雙軸動態(tài)抗壓強度的影響

高溫后混凝土的抗壓強度、雙軸動態(tài)抗壓強度隨溫度的變化規(guī)律如圖8所示，圖8為平均值曲線。由圖8可見，隨溫度的升高，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當溫度為200、400、600、800 ℃時，強度普遍低于常溫時的強度，與常溫相比，降幅分別為10.01%、26.02%、44.99%、70.00%。在經(jīng)歷800 ℃高溫后，混凝土的抗壓強度僅為16.3 MPa。從混凝土抗壓強度與溫度的擬合曲線可以看出，兩者之間有良好的線性關(guān)系。對于混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度而言，在25～400 ℃存在其抗壓強度變化的轉(zhuǎn)折點。當溫度在200 ℃時，增幅為14.91%，雙軸動態(tài)抗壓強度達到210.38 MPa;在溫度為400～600 ℃時，雙軸動態(tài)抗壓強度迅速下降。當溫度為400、600 ℃時，與常溫相比，雙軸動態(tài)抗壓強度降幅分別為19.07%、52.32%。在經(jīng)歷800 ℃高溫后，雙軸動態(tài)抗壓強度為72.03 MPa，與25 ℃相比，強度下降65.76%左右。溫度對混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度既有強化作用，又有弱化作用，存在一個界限值。

混凝土在高溫前后的雙軸動態(tài)抗壓強度差異是由于各個高溫等級所導致的微觀結(jié)構(gòu)不同而引起。當溫度不是很高時，由于粗骨料和水泥石的熱工性能差異，溫度升高，粗骨料和水泥石受熱膨脹，會填充一部分原生裂縫，使得裂縫數(shù)量減少，同時，雙軸靜載的軸壓作用也在一定程度上限制了裂縫的發(fā)育，從而使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙率下降。除此之外，混凝土內(nèi)部吸附的水分發(fā)生遷移，水泥凝膠體顆粒間表面張力增大，這在一定程度上會導致混凝土的承載力增強，從而使其雙軸動態(tài)抗壓強度變大。但當溫度繼續(xù)升高時，水泥凝膠體開始脫水，C—S—H的層間水蒸發(fā)以及C—S—H、氫氧化鈣分解而失水，粗骨料和水泥石等脆性材料性質(zhì)弱化，過渡區(qū)性能進一步降低，導致混凝土結(jié)構(gòu)損傷加重。同時，由于粗骨料和水泥石的線膨脹系數(shù)差異，溫度升高，差異變大，導致新裂縫的產(chǎn)生和原生裂縫的發(fā)育，從而使混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度等發(fā)生顯著的劣化。

從混凝土材料應(yīng)變率敏感性考慮，混凝土雙軸動態(tài)抗壓強度的提高可以從兩方面分析：一方面，在沖擊荷載作用下，混凝土材料在中高應(yīng)變率狀態(tài)下發(fā)生顯著改變，但由于試件尺寸較大，中心部位因為慣性效應(yīng)的作用，側(cè)向發(fā)生變形受到約束，產(chǎn)生了環(huán)箍效應(yīng)，類似圍壓作用的存在，在一定程度上提高了混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度。另一方面，混凝土微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過程本質(zhì)上都是一個消耗能量的過程，新裂縫產(chǎn)生與原生裂縫的發(fā)展度需要從外部吸收能量;但由于沖擊荷載應(yīng)變率較高，作用時間極短，混凝土沒有足夠的時間去集聚能量，根據(jù)沖量定理，只有通過提高應(yīng)力的方式來抵消外部的沖量，這在一定的程度上也提高了混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度，表現(xiàn)為圖8中曲線先上升。

就雙軸動態(tài)抗壓強度隨溫度的整體變化趨勢來看，溫度變化對高溫后混凝土的雙軸動態(tài)抗壓強度起主導作用，應(yīng)變率變化只起部分作用。

2.3 溫度對混凝土平均應(yīng)變率的影響

試件破壞前應(yīng)變率時程曲線上應(yīng)變率值上下振蕩相對較穩(wěn)定，即近似恒應(yīng)變加載階段，取該階段的均值為平均應(yīng)變率。如圖9所示，取22 ms后較穩(wěn)定的階段平均值為平均應(yīng)變率。平均應(yīng)變率是表征混凝土應(yīng)變速率的一種度量，是反映混凝土變形性能的重要指標。高溫后混凝土在靜動組合荷載下平均應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖10所示，圖10為平均值曲線。由圖10可以看出，在高溫和靜動組合荷載耦合作用下，混凝土的平均應(yīng)變率都達到了中高應(yīng)變率區(qū)（101～102 s-1）。整體上，在同一沖擊速率下，混凝土的平均應(yīng)變率表現(xiàn)出顯著的溫度效應(yīng)，常溫時平均應(yīng)變率最小，隨著溫度升高，平均應(yīng)變率有逐漸增大的趨勢，說明高溫環(huán)境下混凝土抵抗變形的能力減弱。平均應(yīng)變率隨著溫度的升高，增加得越來越快，當溫度達到800 ℃時，平均應(yīng)變率為79.44 s-1，與25 ℃相比，增幅達到94.66%。高溫作用后混凝土內(nèi)部裂縫增多，混凝土發(fā)生劣化，性能降低。通過建立平均應(yīng)變率與溫度的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度會對平均應(yīng)變率產(chǎn)生直接的影響。當溫度升高時，在圖10上表現(xiàn)為平均應(yīng)變率增大。溫度升高，混凝土劣化變脆，平均應(yīng)變率增大。

2.4 溫度對混凝土應(yīng)變的影響

峰值應(yīng)變是峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變。均值應(yīng)變?nèi)〉氖菓?yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線所圍面積與峰值應(yīng)力的比值。峰值應(yīng)變相對值是高溫后混凝土的峰值應(yīng)變與25 ℃時峰值應(yīng)變的比值。高溫后混凝土的峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)變的相對值以及均值應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律如圖11所示，圖11為平均值曲線。從圖中可以看出，高溫加熱處理對混凝土在靜動組合荷載下的峰值應(yīng)變有明顯影響，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)變近似線性增大。經(jīng)歷200、400、600 ℃高溫處理后，峰值應(yīng)變的增幅達到23.43%、54.28%、82.90%;且在經(jīng)歷800 ℃高溫處理后，峰值應(yīng)變達到0.56%，增幅一倍多，為109.29%。均值應(yīng)變也隨溫度的升高而增大，且在經(jīng)歷800 ℃高溫處理后，增幅達到133.21%。高溫加熱處理會導致混凝土試件中部分水分的丟失以及顆粒之間間距增大，進而引起材料形變的增加。高溫后混凝土材料的峰值應(yīng)變和均值應(yīng)變都表現(xiàn)出應(yīng)變率敏感性。反映在圖11上為峰值應(yīng)變和均值應(yīng)變增大。

3 結(jié)論

利用真三軸靜、動力綜合加載試驗系統(tǒng)對常溫（25 ℃）和200、400、600、800 ℃高溫后混凝土試件預(yù)先施加雙軸靜荷載，然后再對X軸施加動荷載，從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、雙軸動態(tài)抗壓強度、平均應(yīng)變率以及應(yīng)變等4個方面綜合分析了溫度對混凝土雙軸動態(tài)力學性能的影響。

1）溫度變化是影響高溫后混凝土雙軸動態(tài)力學性能的主要因素，應(yīng)變率變化是次要因素。溫度對混凝土雙軸動態(tài)抗壓強度的影響較為復雜，強化和弱化交織在一起;在25～200 ℃之間，溫度主要表現(xiàn)出強化效應(yīng);隨著溫度的繼續(xù)升高，300 ℃之后，溫度弱化效應(yīng)明顯，占主導地位。

2）溫度作用下，物理、化學變化共同影響混凝土的強度和變形性能?；炷猎诮?jīng)歷400 ℃高溫后，仍變現(xiàn)出良好的抗沖擊韌性。

3）與常溫相比，靜動組合荷載下，混凝土高溫后的峰值應(yīng)力和均值應(yīng)變依然表現(xiàn)出了應(yīng)變率敏感性。

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（編輯 胡玲）