基于Φ75 mm SHPB系统的高温混凝土动态力学性能研究

王宇涛，刘殿书，李胜林，江雅勤

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

国民经济和现代化住房刚性需求的快速发展，高层建筑已成为一种主流的住房需求，加之大量新材料应用于建筑行业及电器、燃气的广泛使用，大大增加了建筑火灾的可能性。同时，火灾往往还会导致火灾爆炸，爆炸荷载作用下的工程结构会处于高温、高压以及高应变率等恶劣的环境中，而建筑物在火灾中的倒塌，会对其下面的混凝土结构造成冲击，导致其处于高温冲击状态［1］。因此研究高温条件下混凝土动态力学性能是必要的，而大多数研究是对高温后混凝土力学性能分析［2－5］，高温时对混凝土动态力学性能的研究并不丰富。因此，本文采用大直径Φ75mm直径SHPB试验装置分别对C30、C50、C60以及C70四种常用混凝土在高温条件下的动态力学性能进行研究。

1 Φ75 mm高温SHPB试验技术及数据处理

1．1 Φ75 mm SHPB试验技术

本试验采用中国矿业大学（北京）配备动力自动控制系统的Φ75 mm SHPB试验装置，见图1。

图1 中国矿业大学（北京）Φ75 mmSHPB试验装置Fig．1Φ75 mm SHPB test apparatus of CUMTB

对于大直径SHPB试验，考虑到要满足“一维假定”和“应力均匀性假定”的要求，需选择具最佳长径比的试件。根据李胜林等［6］的研究，对于Φ75mm大尺寸的SHPB装置，混凝土类材料试件长度应为30～75 mm，即长径比L／D＝0．4～1范围内所取得的试验数据是可信的，能准确反映材料的动态力学性能。故本实验选用的试件尺寸为Φ75 mm×50 mm。

同时，为了减小大直径杆的“弥散效应”，数据处理时尽量使用透射波来计算材料的力学参数，在波导杆与试件接触的端面粘贴了厚度5 mm、直径为75 mm的薄片，从而提高试件中应力的均匀程度，减小波形的震荡［7］。

数据处理时，使用简化的“三波”式［8－9］，进而得到混凝土应力－应变关系，如下：

式中：εi（t）、εr（t）和 εt（t）〗分别为杆中入射波、反射波和透射波的应变；A0为杆的横截面积；E0和C0为杆材料的杨氏模量和弹性波波速；A和L分别为试件的原始横截面积和长度。

1．2 高温加热试验系统及保温设备

混凝土为惰性材料，传热系数比较低，加热缓慢，本试验采用由龙口市电炉厂定做加工的陶瓷纤维电阻炉为加热仪器，见图2，以硅碳镍棒为加热元件，能有效对混凝土进行均匀加热，炉膛额定温度为1 300°C。另配备温度控制器，见图3，由此进行电炉温度的测量、指示及自动控制。测温仪器选用红外测温仪，其测温范围为－50℃～650℃，见图4。

图2 加热电阻炉Fig．2 Experimental resistance furnace

图3 温度控制器Fig．3 Temperature control device

图4 红外测温仪Fig．4 infrared thermoter

为了使加热后的试件温度不致下降得太快，本试验利用石棉的隔热特性制作了简易的保温设备。在支架上铺1层石棉，把加热后的试件迅速安装好后，再盖1层厚石棉和厚纸片，便形成一个简单的加盖保温装置。在相对封闭的热系统内，试验过程中温度就能保持在允许的范围内［10］。

表1 SHPB冲击试验过程历时及试件温度变化Tab．1 Duration and specimen surface temperature during SHPB impact test

动态试验过程中从试件加热后取出到试件组装完成，经多次测试需要20 s左右，之后冲击试验过程需要15 s左右，从加热炉中取出试件到冲击试验完成共需要大约35 s的时间。选取4组C30混凝土试件分别加热到150℃、300℃、450℃和600℃，并在试验的各个阶段分别进行温度测定，结果见表1。分析可知：试验子弹撞击时试件温度相对于取出时的温度下降约30℃，基本满足试验所需的精度。

2 Φ75 mm高温SHPB试验及动态力学性能分析

2．1 混凝土试件的制作及试验设计

本试验所用四种强度等级混凝土试件：C30、C50、C60、C70，是委托混凝土专业厂商制造，经标准养护（温度20±3℃，湿度95%以上）后，按标准经切割、打磨后加工成Φ75 mm×50 mm的试件，见图5。同时，试件两端面采用磨床精密加工打磨，保证两端面的不平行度在0．02 mm以内，从而可以提高试验精度，本实验的试件满足要求。

图5 混凝土试件Fig．5 Concrete specimens

本实验的目的是为了系统地讨论高温时不同强度等级混凝土在相同试验条件下的温度效应。在SHPB钢杆系统（统一选取子弹长度L＝400 mm，子弹速度v＝9 m／s）上分别对 C30、C50、C60和 C70四个强度等级，5组温度条件下（常温、150℃、300℃、450℃、600℃）共80个混凝土试件进行了冲击压缩试验。同种强度等级的混凝土试件在相同温度下各进行四次试验，以增加试验结果的可重复性。试验结果取平均值，且结果重复性较好。

2．2 不同温度下混凝土波形曲线分析

本试验中，在Φ75 mm的大尺寸SHPB系统上，入射杆以相同撞击速度（v＝9 m／s）撞击不同温度下的C30、C50、C60和C70混凝土试件，得到输入杆和输出杆上实测的应变波形曲线，由于篇幅限制，仅以C60混凝土为例，见图6、7。

由不同温度下C60混凝土的SHPB实测波形可以看出，由于本试验采用相同的撞击速度（v＝9．0 m／s）以及相同长度的子弹（L＝400 mm），因此，入射矩形波基本类似，幅值相似；反射波和透射波因温度和混凝土标号的不同其幅值有所差异，正是不同标号混凝土动态力学性能的反映。

图6 C60混凝土不同温度时的入射波和反射波形Fig．6 The incident wave and reflected wave of C60 of different temperature

图7 C60混凝土不同温度时的透射波形Fig．7 The transmission wave of C30 of different temperature

2．3 不同温度下混凝土的破坏形态

以C60在不同温度下的破坏形态为例，进一步印证上述由波形曲线得到的结论，见图8。

图8 不同温度下C60混凝土试件破坏形态Fig．8 C60 concrete specimen failure pattern under different temperature

从图8可以看出不同温度时C60混凝土试件的破坏情况，当温度低于300℃时，试件分成几大块，其中主要部分还未破碎；在温度高于450℃温度较高时，随着温度的增加，试件发生爆炸式破坏，完全破碎。

2．4 高温时混凝土动态力学性能研究

依据“三波”公式可以得出在冲击载荷作用下（应变率范围在130～140 s－1间）混凝土的动态应力－应变关系［11］，见图 9。

图9 不同强度混凝土高温下的动态应力－应变曲线Fig．9 Dynamic stress-strain curve of different strength concretes under high temperature

从图9中可见，四种强度的混凝土在5种不同温度下应力－应变曲线有着相似的规律：

（1）随着温度的升高，混凝土的强度不断降低，而峰值应变不断增加，应力－应变曲线变得越来越平缓。

（2）随着温度升高直至450℃时，在较快的初始上升段后，随着应变的增加应力上升增加的速率明显减慢，出现了塑性强化现象；600℃时，这种现象更加明显，450℃及600℃时后半段的塑性流动段已经变得非常的长。这说明作为脆性材料的混凝土在遭受温度影响后，出现了塑性流动现象，这种塑性流动现象随着温度的升高而越来越明显。

（3）由图中还可以发现，4种不同强度的混凝土试件在四组高温条件下的应力应变曲线非常相似，与常温曲线构成了明显的差别。

可见，混凝土在遭受温度影响后，在压缩荷载的作用下，混凝土韧性也越来越好。

提取曲线中的数据得到具体的应力峰值和与之对应的应变值以及最大应变率和平均应变率，如表3～6所示。

表3 C30混凝土试件撞击后的情况Tab．3 The damage of limestone specimen of concrete of C30

表4 C50混凝土试件撞击后的情况Tab．4 The damage of limestone specimen of concrete of C50

表5 C60混凝土试件撞击后的情况Tab．5 The damage of limestone specimen of concrete of C60

表6 C70混凝土试件撞击后的情况Tab．6 The damage of limestone specimen of concrete of C70

于是，得到了C30、C50、C60、C70四种强度等级混凝土在不同温度下的动态破坏强度随着强度等级的变化曲线及破坏时的应变随温度变化曲线，见图10、11。从而得到其温度效应的一般规律。

图10 不同等级混凝土破坏强度随温度变化曲线Fig．10 Breaking stress-temperature curve of concrete

图11 混凝土破坏应变随温度变化曲线Fig．11 Damage strain-temperature curve of concrete

由图10可以看出：

（1）在高温条件下，随着混凝土强度等级的增加其动态强度也在增加；

（2）四种强度等级的混凝土均表现出明显的温度效应。破坏强度随温度的变化规律一致，即随着温度的增加，破坏强度有不同程度的降低。但是，可以发现，在常温～150℃时四种强度等级混凝土破坏强度下降幅度大致相同，约为30 MP左右；150℃～600℃时则出现明显差异，C60下降幅度较小，在300℃～600℃时破坏强度甚至超过了C70；当问温度到600℃时，各强度等级混凝土的破坏强度已相差不大。

由图11也可以看出，不同等级的混凝土在不同温度下其破坏应变也都表现出温度增加效应，温度达到600℃时，四种强度的混凝土其破坏应变相差不大。

3 结 论

（1）C30、C50、C60、C70混凝土在不同温度下动态压缩试验结果表明：随着温度的升高，混凝土动态破坏强度不断降低，且高强度等级混凝土的动态破坏强度总体上高于低强度等级混凝土的破坏强度，同时动态破坏应变总体上不断增大，四种强度等级混凝土变化规律一致，具有明显的温度效应；

（2）随着温度的增加，混凝土的应力－应变曲线均变得越来越平缓，随着应变的增加应力上升增加的速率明显减慢，反应出混凝土的塑性流动现象随着温度的升高而越来越明显，韧性越来越强；

（3）当温度达到600℃时，各强度等级混凝土的破坏强度已相差不大，可将600℃看作是混凝土结构失效的临界温度，即大于600℃时混凝土强度完全失效。

研究高温下混凝土动态效应的影响，说明混凝土材料具有一定的耐高温和抗冲击性能并且在高温（450℃以上）、中高应变率下（130～140 s－1）其韧性有所提升，为混凝土结构高温下抗冲击和抗火灾倒塌性能进行合理的设计与评估提供了基础的试验依据。

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