不同冷卻方式下高溫混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

摘要： 為了研究高溫混凝土在不同冷卻方式下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，通過? 74 mm 大口徑分離式霍普金森壓桿對(duì)不同冷卻方式處理下不同溫度的C30 圓柱形混凝土試樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了其在熱、水、力聯(lián)合作用下的力學(xué)特性，探究了冷卻方式、溫度和加載條件對(duì)平均應(yīng)變率的影響，重點(diǎn)分析了高溫混凝土在不同方式冷卻后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及冷卻方式、溫度和加載速率對(duì)其破碎形態(tài)、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變及一系列動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：水冷混凝土試樣的平均應(yīng)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(yīng)變率近似呈線性關(guān)系；當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃ 及以上時(shí)，試樣顏色發(fā)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(xiàn)更多細(xì)微裂紋，骨料形態(tài)破壞更嚴(yán)重；不同冷卻方式下混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)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(shù)低于自然冷卻試樣；高溫混凝土試樣的峰值應(yīng)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(yīng)變相對(duì)值要高于自然冷卻試樣；混凝土的動(dòng)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(yīng)變率效應(yīng)越明顯；當(dāng)溫度在200 ℃ 時(shí)，混凝土耗能系數(shù)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 冷卻方式；沖擊；高溫混凝土；分離式霍普金森壓桿；動(dòng)態(tài)力學(xué)特性；破壞形態(tài)

中圖分類號(hào)： O347.3 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著現(xiàn)代化程度的升高，混凝土材料已被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施及國防設(shè)施的建造中[1]，其中公路隧道發(fā)展迅速，最新的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國公路隧道總里程已達(dá)26 784 km，相較于2001 年，里程增長(zhǎng)約37 倍。由于隧道空間狹長(zhǎng)封閉、通道出口有限，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸、坍塌等突發(fā)事故，極易造成群死群傷的重大安全事件?；馂?zāi)和爆炸產(chǎn)生的高溫及沖擊會(huì)對(duì)公路隧道中混凝土材料的力學(xué)性能造成嚴(yán)重影響[2-3]，而在后續(xù)滅火作業(yè)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(xué)性能具有重要意義。

目前，在高溫混凝土力學(xué)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(qiáng)度混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫作用后混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的抗力系數(shù)均會(huì)存在一定程度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生較大改變；王孔藩等[5] 研究了不同骨料、不同強(qiáng)度的混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的性能，并與常溫下的混凝土進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃ 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降到室溫時(shí)的25% 左右；Hager 等[6] 開展了高溫混凝土試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高溫使得混凝土性能劣化嚴(yán)重，內(nèi)部損傷增大，耐久性及抗?jié)B透性能下降。以上研究將溫度作為變量，表明高溫會(huì)對(duì)混凝土造成一定程度的損傷。

混凝土在經(jīng)歷高溫后，不同的冷卻方式對(duì)其力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。呂天啟等[7] 綜合考慮了冷卻和養(yǎng)護(hù)方式及靜置時(shí)間等因素對(duì)高溫后靜置混凝土的力學(xué)性能的影響，并采用雙曲線對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段進(jìn)行擬合回歸。鄭鈺濤等[8] 研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著溫度的提升，噴水冷卻試件的質(zhì)量損失比自然冷卻試件的質(zhì)量損失小，楊氏模量、縱波波速、抗壓強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，溫度超過400 ℃ 后，噴水冷卻試件各參數(shù)的降幅更大。王珍[9] 探究了消防射水與火災(zāi)共同作用下高性能混凝土建筑的坍塌機(jī)理，建立了高性能混凝土建筑火災(zāi)后的坍塌預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法。上述研究從質(zhì)量損失率、楊氏模量、峰值應(yīng)力等角度證明噴水冷卻對(duì)高溫混凝土的損傷比自然冷卻更大。

混凝土受到高速?zèng)_擊后，力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生變化。王宇濤等[10] 對(duì)C30、C50 等2 種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土開展了高溫后動(dòng)態(tài)沖擊與靜態(tài)抗壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土在高溫后動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度不斷降低、峰值應(yīng)變不斷增大、應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩，出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象且隨溫度升高愈加明顯。Kou 等[11] 為研究溫度與應(yīng)變率聯(lián)合作用下混凝土在火和爆炸環(huán)境下的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并驗(yàn)證了該模型的可行性和準(zhǔn)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(xué)性能，試驗(yàn)中最大加載應(yīng)變率達(dá)10 m/s，結(jié)果表明，混凝土在動(dòng)態(tài)加載下的強(qiáng)度和彈性模量都顯著大于靜力狀態(tài)下。Huo 等[13] 開展了高溫后混凝土的霍普金森壓桿沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土在不同加載速率下的動(dòng)態(tài)效應(yīng)發(fā)生變化。以上研究大多考慮了高溫與應(yīng)變率聯(lián)合作用下混凝土各力學(xué)指標(biāo)的變化。

截至目前，相關(guān)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(xué)特性，缺少混凝土材料在熱、水、力聯(lián)合作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而在實(shí)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能會(huì)如何發(fā)生變化，能否繼續(xù)滿足工程安全要求，結(jié)論尚不明確。為了進(jìn)一步明確高溫混凝土經(jīng)過不同方式冷卻后在沖擊載荷作用下的力學(xué)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(yīng)力-應(yīng)變曲線、破碎特性、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量及動(dòng)態(tài)效應(yīng)等參數(shù)，來探究加載速度（應(yīng)變率）、加熱溫度及冷卻方式3 種變量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件制備

本試驗(yàn)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(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行28 d 齡期養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在18～22 ℃，相對(duì)濕度控?制在95% 以上；然后，用取芯機(jī)取試樣芯部，利用拋光機(jī)對(duì)試件進(jìn)行打磨處理，并控制試樣的長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備

分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）試驗(yàn)裝置可以有效測(cè)試材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，本試驗(yàn)采用 74 mm 的SHPB 裝置，其導(dǎo)桿系統(tǒng)包括撞擊桿、入射桿、透射桿，長(zhǎng)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(yàn)通過控制系統(tǒng)發(fā)射裝置內(nèi)的氣壓來控制子彈加載速度，從而達(dá)到控制試件應(yīng)變率的目的。試驗(yàn)前進(jìn)行空桿試射并將誤差調(diào)整在合理范圍，裝置示意圖如圖2 所示。試驗(yàn)加熱設(shè)備采用上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SXL-1700 型高溫箱式電爐，最高加熱溫度可達(dá)1 700 ℃，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

1.3 試驗(yàn)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(shè)定為5 ℃/min，將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的圓柱形混凝土試件表面晾干后進(jìn)行加熱處理，為使試件內(nèi)外均勻受熱，在達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫靜置2 h，保證試件內(nèi)部溫度與表面溫度一致，升溫示意如圖3 所示。高溫試驗(yàn)分為100、200、400、600 ℃ 共4 種溫度，為便于分析，未經(jīng)歷高溫作用的常溫試件溫度定為20 ℃。在試驗(yàn)過程中，為了降低試樣與試驗(yàn)桿端面的摩擦效應(yīng)，在試樣及彈性導(dǎo)桿的接觸面涂抹凡士林。將圓柱形試樣放在2 根彈性導(dǎo)桿中間，當(dāng)撞擊桿撞擊入射桿的一端時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彈性壓縮脈沖力，利用應(yīng)變片收集入射桿中的入射信號(hào)波形 、反射信號(hào)波形εr（t）以及透射桿中的透射信號(hào)波形εt（t），根據(jù)一維彈性波理論的二波法計(jì)算獲得試件的應(yīng)力σs（t）、應(yīng)變?chǔ)牛╰）、應(yīng)變率`ε（t）：

式中：ls 為試件長(zhǎng)度，As 為試件橫截面積，c0 為彈性導(dǎo)桿的縱波波速，A 為彈性導(dǎo)桿的橫截面積。

為了減小彌散效應(yīng)帶來的應(yīng)力波振蕩現(xiàn)象[16]，保證試樣在試驗(yàn)中的動(dòng)應(yīng)力平衡和常應(yīng)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(shù)[17]，在入射桿沖擊端的中心處裝置一個(gè)紫銅緩沖片，作為波形調(diào)整器，以過濾由高速碰撞產(chǎn)生的高頻振蕩，減小波的彌散現(xiàn)象，使試件中應(yīng)力分布更加均勻[18]。結(jié)果表明，其對(duì)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(shí)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(zāi)現(xiàn)場(chǎng)一般采用噴水冷卻方式，為保持水的流動(dòng)性，本文中采用淋水冷卻方式，根據(jù)文獻(xiàn)[19] 的試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)試件情況，將灑水冷卻時(shí)間定為30 min，降溫速率控制在35 ℃/min左右，試驗(yàn)表明，各溫度混凝土試樣外表面溫度均在30 min 內(nèi)達(dá)到室溫；自然冷卻是高溫后的試件在爐膛內(nèi)自然冷卻至室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫后混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

高溫環(huán)境會(huì)對(duì)混凝土的骨料、水泥砂漿等內(nèi)部材料造成熱損傷，從而對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響其宏觀性能。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)不同溫度下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝，并對(duì)圖像進(jìn)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(jié)構(gòu)較完整，骨料與水泥漿體之間連結(jié)緊密，未出現(xiàn)分離現(xiàn)象。經(jīng)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(jìn)一步水化，產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)整體更加緊密，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的完整性，與常溫試件相比，Ca（OH）2 數(shù)量減少、體積變小，由于其強(qiáng)度小于凝膠與骨料的強(qiáng)度，因此，試件的宏觀強(qiáng)度得到小幅提升。經(jīng)歷400 ℃ 高溫作用后，水化產(chǎn)物中的結(jié)晶水分解，水泥漿體與未水化顆粒間的結(jié)合力減弱，C-S-H 凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始破壞，出現(xiàn)大量裂縫，Ca（OH）2 大量減少，如圖5（c） 所示。經(jīng)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(chǎn)物更加疏松，孔狀結(jié)構(gòu)增多，骨料-水泥砂漿界面產(chǎn)生較大裂紋，大部分結(jié)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(nèi)部膨脹，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，宏觀上嚴(yán)重影響了試件的力學(xué)特性。

2.2 不同冷卻方式下混凝土試樣外觀變化規(guī)律

高溫混凝土試樣經(jīng)歷不同冷卻方式后的外觀如圖6 所示。在經(jīng)歷100 和200 ℃ 高溫之后，試件水分蒸發(fā)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(jīng)歷400 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件的顏色發(fā)生明顯改變，并且由于混凝土內(nèi)部水泥膠體與粗骨料的變形差不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（裂紋用紅色線條標(biāo)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?yōu)闇\粉色，且比相同溫度下自然冷卻試樣顏色更深，同時(shí)水冷試件也比自然冷卻試件產(chǎn)生更多細(xì)裂紋。在經(jīng)歷600 ℃ 高溫作用之后，自然冷卻試件裂紋持續(xù)擴(kuò)大并增多，顏色變?yōu)榉浅Ｃ黠@的淺粉色，邊角產(chǎn)生了少量剝落情況，這是由于高溫下混凝土內(nèi)部的水分和Ca（OH）2 遇熱分解，導(dǎo)致混凝土體積膨脹，初始尺寸改變，從而發(fā)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(jié)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(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力所致[20]，具體情況如表2 所示。

2.3 靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7 給出了靜力試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的各溫度下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載速度均設(shè)定為12 m/s，由圖7可知，2 種冷卻方式下試件呈現(xiàn)相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。隨著溫度升高，經(jīng)過高溫的持續(xù)損傷，混凝土強(qiáng)度下降，試樣內(nèi)部水蒸氣蒸發(fā)形成孔隙，應(yīng)力-應(yīng)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(diǎn)逐漸下移和右移。自然冷卻試件相對(duì)于水冷試件峰值應(yīng)力更大、彈塑性階段斜率更高，彈性更好，這些現(xiàn)象都表明水冷會(huì)對(duì)混凝土試件造成一定程度的損傷。在加熱溫度低于400 ℃ 時(shí)，2 種冷卻方式下混凝土強(qiáng)度均變化不大，但自然冷卻下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的重合度明顯高于水冷，此現(xiàn)象在峰后破壞階段更明顯。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，混凝土試樣在受到撞擊時(shí)主要經(jīng)歷了4 個(gè)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?jīng)_擊后，試件內(nèi)部受到擠壓出現(xiàn)微裂紋，隨著應(yīng)力的增加，出現(xiàn)非線性的變形，此時(shí)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著溫度的升高加而減小，水冷試件相對(duì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性關(guān)系，混凝土試樣為彈性變形，試樣內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，水冷試件相對(duì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率總體變小，出現(xiàn)了應(yīng)變軟化效應(yīng)，混凝土試件發(fā)生塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)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(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

（4） 破壞階段（階段Ⅳ），此階段應(yīng)力峰值隨著應(yīng)變的增大不斷下降，在混凝土達(dá)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(fā)生不同程度的破碎。

2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 溫度、冷卻方式及加載速度對(duì)混凝土破碎特性的影響

從動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)后的混凝土破壞形態(tài)可以了解混凝土的力學(xué)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(shí)混凝土試樣的破碎形態(tài)，將破碎形態(tài)分為4 個(gè)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(chǎn)生破壞，骨料多數(shù)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(tài)也隨溫度升高發(fā)生破壞，說明此時(shí)骨料的力學(xué)性能受高溫影響，導(dǎo)致試件的動(dòng)態(tài)抗壓性能相比常溫時(shí)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(xiàn)了明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，骨料的形態(tài)從開始的完整到逐漸受壓破壞，這一現(xiàn)象也導(dǎo)致混凝土試樣峰值應(yīng)力增加；對(duì)比自然冷卻和水冷可知，水冷試樣骨料發(fā)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(huì)比自然冷卻過程中產(chǎn)生更多的微裂紋，導(dǎo)致混凝土承載力降低，從而產(chǎn)生更多的小尺寸碎片。這說明，相比于自然冷卻，水冷對(duì)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(duì)混凝土應(yīng)變率的影響

通過控制SHPB 裝置氮?dú)馄康拈y門，可以調(diào)整炮管內(nèi)的氣壓系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)撞擊桿的速度，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載，但試驗(yàn)過程中很難實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載。本文中，通過在入射桿處粘貼波形整形器，達(dá)到近似恒應(yīng)變率加載的效果，其中平均應(yīng)變率取應(yīng)變率首次達(dá)到峰值至試件達(dá)到最大應(yīng)力之間的平均值，圖9 給出了SHPB 系統(tǒng)測(cè)速裝置測(cè)得的不同加載速度和不同冷卻方式下經(jīng)歷不同溫度后混凝土平均應(yīng)變率的關(guān)系，并根據(jù)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(duì)于自然冷卻，水冷時(shí)混凝土試樣的平均應(yīng)變率受溫度影響更明顯，尤其在加載速度為4 m/s 時(shí)，水冷后不同加熱溫度下混凝土試樣的應(yīng)變率存在顯著差異，說明水冷方式下混凝土試樣應(yīng)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(duì)于加載速度與平均應(yīng)變率之間的線性相關(guān)性影響均較小。加載速度與平均應(yīng)變率的線性擬合關(guān)系可以表示為：

式中：-`ε"為平均應(yīng)變率，v 為加載速度，a、b 為待擬合系數(shù)。

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

2.4.3 不同冷卻方式下高溫混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同的加載速率下都保持了基本形狀，但峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)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(shí)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(yīng)力和峰值應(yīng)變均隨著加載速度的升高而增大，其中峰值應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度大于峰值應(yīng)力。同時(shí)，隨著加載速度的升高，混凝土的韌性得到增強(qiáng)，且自然冷卻時(shí)峰值應(yīng)變相對(duì)值的增長(zhǎng)幅度明顯大于水冷情況下，其中在400 和600 ℃ 時(shí)表現(xiàn)最明顯。另外，水冷情況下，600 ℃ 時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯規(guī)律波動(dòng)，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(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)。

2.4.4 冷卻方式對(duì)抗壓強(qiáng)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(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，可以看出，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)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(shí)，同組混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的平均值從常溫下的32.83 MPa 降至600 ℃ 時(shí)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(shí)，自然冷卻混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降幅分別為24.07% 和21.43%，水冷時(shí)的降幅則為45.23% 和40.03%?？梢钥闯?，隨著加載速度的升高，2 種冷卻方式下混凝土試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降比例均降低。而在加載速度相同時(shí)，水冷混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降比例低于自然冷卻時(shí)，表明水冷方式下混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受溫度變化的影響更大。這是由于高溫混凝土遇水時(shí)形成內(nèi)外溫差，導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的收縮裂縫，從而對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此，水冷對(duì)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(shí)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度下降比例對(duì)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(duì)應(yīng)溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的 0.4 倍峰值應(yīng)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(xiàn)上升趨勢(shì)。為更好地表述溫度對(duì)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(shù)（E0（T）/E0）隨溫度的變化規(guī)律，由圖14 可知，在溫度低于400 ℃ 時(shí)，彈性模量損傷系數(shù)穩(wěn)定下降，超過400 ℃ 后則大幅下降，破壞也更加明顯。經(jīng)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(shù)均低于自然冷卻時(shí)。

2.4.5 不同冷卻方式下高溫混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變

混凝土材料的峰值應(yīng)變是反映其承載能力的重要指標(biāo)，對(duì)工程實(shí)際有重要的參考價(jià)值。峰值應(yīng)變?nèi)⊥M試件峰值應(yīng)變的算術(shù)平均值，建立高溫混凝土峰值應(yīng)變與常溫混凝土峰值應(yīng)變之比（ε0（T）/ε0）與溫度、加載速度及冷卻方式的關(guān)系，如圖15 所示?？梢钥闯?，隨著溫度升高，2 種冷卻方式下混凝土峰值應(yīng)變相對(duì)值均呈明顯上升趨勢(shì)；相同溫度下，加載速度越快，峰值應(yīng)變相對(duì)值越低，且溫度越高，加載速度對(duì)峰值應(yīng)變相對(duì)值的影響越大；溫度及加載速度相同的情況下，水冷時(shí)的峰值應(yīng)變相對(duì)值高于自然冷卻時(shí)，600 ℃ 時(shí)最明顯。

2.4.6 動(dòng)載荷增加因子

通常用動(dòng)載荷增加因子（dynamic increase factor，DIF），即動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度之比，來描述混凝土強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)。圖16 給出了不同冷卻方式下各溫度混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度，圖17 給出了不同加載速度及冷卻方式下高溫混凝土動(dòng)載荷增加因子與溫度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫對(duì)沖擊載荷作用下混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)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(dòng)了試件內(nèi)部細(xì)裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致其抗外載荷能力增強(qiáng)，DIF 也隨之增大，且溫度越高，混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)越明顯，說明高溫對(duì)混凝土產(chǎn)生的損傷增強(qiáng)了混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)；不同冷卻方式下混凝土的動(dòng)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(shí)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(fā)生形變直至破壞，其耗能規(guī)律的分析既能準(zhǔn)確評(píng)估損傷，也能綜合評(píng)價(jià)混凝土的韌性指標(biāo)，為此，引入耗能系數(shù)W （W=S0123（T）/S0123，其中S0123（T） 為經(jīng)歷高溫的混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變（σ -ε ）曲線經(jīng)過峰值后，取值為0.85 （T） 的點(diǎn)所做的垂線與x 軸及原曲線圍成的面積，S0123 則為20 ℃ 時(shí)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(shù)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(shù)隨著溫度升高總體呈下降趨勢(shì)，且在同一溫度下，加載速度越高，耗能系數(shù)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(shù)均在200 ℃ 時(shí)出現(xiàn)小幅反彈，自然冷卻情況下，加載速度為4、8 和11 m/s 時(shí)耗能系數(shù)的增幅分別為3.85%、4.98% 和4.79%；水冷時(shí)，相同加載速度下耗能系數(shù)的增幅分別為2.53%、2.17% 和3.37%。出現(xiàn)反彈現(xiàn)象是由于水泥顆粒在高溫下產(chǎn)生水蒸氣形成水化反應(yīng)，使得混凝土內(nèi)部水泥熟料在強(qiáng)度上得到正向增強(qiáng)，產(chǎn)生拮抗效應(yīng)[21-22]，結(jié)合微觀圖像，200 ℃ 時(shí)Ca（OH）2 的減少也會(huì)使試件的宏觀強(qiáng)度小幅提升，而隨著溫度升高，熟料的減少導(dǎo)致拮抗效應(yīng)降低，抗壓強(qiáng)度也隨之下降，自然冷卻時(shí)的反彈增幅明顯大于水冷時(shí)，原因可能是水冷破壞了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土拮抗效應(yīng)產(chǎn)生了影響。

3 結(jié) 論

通過對(duì)C30 混凝土開展SHPB 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了冷卻方式、加熱溫度及加載速度3 個(gè)變量對(duì)混凝土應(yīng)變率、破碎特性、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及動(dòng)態(tài)效應(yīng)等參數(shù)的影響，得到以下主要結(jié)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(guān)。外觀變化方面，400 ℃ 前后，試樣顏色發(fā)生明顯改變，并出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，相同溫度下，水冷試樣比自然冷卻顏色更深，出現(xiàn)更多細(xì)微裂紋。破壞形態(tài)方面，溫度和加載速度越高，骨料形態(tài)破壞越嚴(yán)重。相同溫度和加載速度情況下，水冷比自然冷卻產(chǎn)生更多小尺寸碎片。

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

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

（4） 不同冷卻方式下，混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)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(shí)抗壓強(qiáng)度下降比例低于自然冷卻，彈性模量損傷系數(shù)在400 ℃ 以后大幅下降?；炷恋姆逯祽?yīng)變與加熱溫度成正比，與加載速度成反比，水冷時(shí)的峰值應(yīng)變相對(duì)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(yīng)變率效應(yīng)越明顯。自然冷卻下，混凝土的耗能系數(shù)在200 ℃ 時(shí)的回彈幅度大于水冷情況下。

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（責(zé)任編輯 蔡國艷）

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（52378401，52422808）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC3002000）