不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响

第一作者聂良学男，硕士生， 1990年生

通信作者许金余男，教授，博士生导师，1963年生

邮箱：jyx369@yeah.net

不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响

聂良学1，许金余1,2，任韦波1，何强3

(1.空军工程大学机场建筑工程系，西安710038；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710072； 3.沈空设计所，沈阳110000)

摘要：利用Φ100 mm SHPB分离式霍普金森压杆装置研究不同温度及加载速率下混凝土冲击变形韧性。结果表明，高温后混凝土峰值、流动应变及冲击韧性均随加载速率增加而增加，应变率效应显著；试件峰前韧性比不断降低，峰后韧性比及韧性转化比逐渐升高；同一加载速率下温度升高总体上使混凝土峰值应变及流动应变增大、冲击韧性降低，试件峰前韧性比呈上升趋势，峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降；200 ℃时其冲击韧性在低应变率下相对较小，在高应变率下超过常温水平。

关键词：混凝土；高温；分离式霍普金森压杆；加载速率；冲击变形

收稿日期：2014-07-01修改稿收到日期：2014-11-11

中图分类号:TU528.572文献标志码：A

Effects of temperature and impact velocity on impact deformation and toughness of concrete

NIELiang-xue1,XUJin-yu1,2,RENWei-bo1,HEQiang3(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China;3. The Graduate School of Design in Air Force of Shenyang, Shenyang 110000, China)

Abstract:Here, the impact deformation and toughness properties of concrete were studied under different temperatures and impact velocities by using a 100mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment. The test results indicated that after high temperature the peak strain, flow strain and impact toughness of concrete increase with increase in strain rate, the effect of strain rate on them is significant; simultaneously, increase in loading rate also leads to decreasing of pre-peak toughness ratio and increasing of post-peak toughness ratio and toughness conversion ratio; for the same loading rate, increase in temperature results in increasing of peak strain and flow strain, decreasing of impact toughness and an increasing trend of pre-peak toughness ratio; post-peak toughness ratio and toughness conversion ratio also consistently decrease with increase in temperature; in addition, at 200℃, the impact toughness of concrete firstly decreases, then increases with increase in strain rate compared with that at room temperature.

Key words:concrete; elevated temperature; split Hopkinson pressure bar; impact velocity; impact deformation

混凝土因原料丰富、价格低廉、生产工艺简单等特点广泛用于工业及民用建筑、道路桥梁、国防、人防等工程领域。近年来，随其使用环境的不断复杂化及特殊工程结构需求，诸多混凝土结构面临高温后耐久性及冲击荷载作用的稳定性考验，尤其工业、民用建筑火灾及战场环境威胁等。为掌握混凝土高温动力响应规律[1-5]、合理进行混凝土结构耐高温及抗冲击设计，混凝土高温后的冲击动力特性研究尤其必要。

虽已有诸多对高温后混凝土力学性能研究成果，但大多集中于对混凝土结构静态的基本力学性能研究[6-9]，而对高温后混凝土受冲击荷载作用的变形特性及韧性规律研究相对较少。对不同温度及加载速率下混凝土在整个破坏过程中的冲击变形特性、韧性变化规律进行研究，有助于对其破坏变形、损伤劣化、能量演化机制及高温后抗冲击荷载能力进行综合分析与评估，弥补从变形或能量单方面研究的局限性。本文利用Φ100 mm SHPB分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，对常温(25℃)及经历200℃、400℃、600℃、800℃高温后混凝土进行冲击压缩试验，研究不同冲击速率、不同高温的混凝土冲击变形特性及冲击韧性规律。

1试验

1.1试件制备

原材料：42.5 R级普通硅酸盐水泥；Ⅰ级粉煤灰，比表面积≥355 m2/kg；硅灰，比表面积15~27 m2/g；石灰岩碎石，平均粒径5～20 mm；中砂，细度模数2.8；自来水；FDN高效减水剂。混凝土设计强度等级为C50，配合比见表1。据表1数据将搅拌均匀的拌合物装入圆柱体钢模，振捣成型后静置1 d拆模，在标准条件下(温度为20±2 ℃，相对湿度RH≥95 %)养护28 d后，经切割、水磨加工后制成约Φ98×50 mm的短圆柱体试件。

表1　混凝土配合比(kg/m 3)

1.2设备与方法

(1)

式中：E为杆的弹性模量；c为杆中波速；A，As为杆、试件横截面积；ls为试件初始长度。

为消除传统SHPB试验中矩形加载波在传播过程中的弥散效应，使试件在破坏前达到应力均匀状态，采用波形整形技术，整形器为厚度1 mm、直径30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm的圆形铝片。

图1　SHPB试验系统 Fig.1 SHPB system

2结果与分析

2.1冲击变形分析

应力应变曲线可直观体现整个冲击破坏过程中试件损伤演化、变形积累等特征。常温试件在不同冲击速率下应力应变曲线(以冲击速率5.5 m/s，8.5 m/s下曲线为例)及试件经高温后不同应变率下应力应变曲线(以400℃，800℃曲线为例)见图2。由图2可知，①在同一冲击速率水平下，随温度升高曲线上升段逐渐变缓，峰值点右移且依次降低(冲击速率为8.5 m/s时200℃曲线峰值应力较常温偏大)，下降段逐渐变陡，甚至在较低冲击速率(5.5 m/s)下温度超过200℃后，曲线下降段有回弹趋势；②作用温度相同时，随应变率升高曲线上升段总体趋于陡直，下降段趋于平缓，峰值点逐渐提高且呈右移趋势；③随温度升高，曲线峰值点附近逐渐趋于平缓， 800℃时曲线具有一定波动性。

进一步分析高温后试件在冲击动荷载作用下的变形能力，研究试件在不同温度及加载速率下的峰值应变。定义流动应变，当应力为80%峰值应力时，应力应变曲线上升、下降段各对应一个应变，流动应变即为两应变之差。流动应变能反映试件破坏前后的变形性能，流动应变越大说明变形能力越强，见图3。由图3可知，①同一目标温度下试件峰值应变随应变率(冲击速率)升高近似线性增长，具有明显的应变率相关性；②同一加载速率下该应变随温度升高不断增大；③200℃时流动应变较常温偏小，说明此时试件变形能力较低；④随温度升高，峰值应变及流动应变温度敏感性逐渐增强，即较常温时其增幅随温度升高而增大(25℃、200℃、400℃、600℃、800℃下拟合直线斜率分别为3.66×10-4、3.96×10-4、6.32×10-4、9.19×10-4、9.97×10-4)，常温~400℃时变化不明显，而超过400℃时温度弱化效应明显增强。

图2 高温后混凝土动态应力应变曲线Fig.2Stress-straincurvesofconcreteafterelevatedtemperatures图3 不同温度、加载速率下峰值应变及流动应变 Fig.3Peakstrainandflowstrainunderdifferenttemperaturesandimpactvelocity

机理分析：高温后混凝土试件冲击变形特性受温度、冲击速率共同影响，呈显著的“高温软化”及“应变率硬化”效应。经200℃高温作用后试件内部大部分自由水蒸发，导致大量微裂缝、孔洞萌生、发展，此时其内部可变形空间增大，变形能力略有增强。随温度进一步升高部分结合水丧失，试件内部结构受到一定程度破坏，变形能力增强，表现为峰值应变升高。作用温度超过400 ℃后，因原有水化产物不断受热膨胀、分解[11]，混凝土内部微裂缝、孔洞不断扩展，劣化程度加剧，变形能力急剧增加。因此同一冲击荷载作用下，随温度升高试件变形能力增强，致其峰值应变、流动应变均增大，且应力应变曲线峰值点较平缓；在冲击荷载作用下，试件经历荷载作用时间极短，裂纹萌生、扩展不足以将冲击能量有效耗散，试件只有通过增加应力缓冲外界输入的冲击能量，且冲击速率越大试件增加的抵抗应力越大，表现为应力应变曲线峰值应力越大。

2.2冲击韧性分析

冲击韧性是分析材料强度及变形能力的重要性能指标，也是表征材料在外荷载作用下变形能力的重要力学参数，衡量方法并不唯一。本文选动态应力应变曲线下方所围面积表征试件的冲击韧性。为分析试件破坏前后韧性的变化规律，不同温度下试件动态应力应变曲线峰值点前、后(简称峰前、峰后)及整个破坏过程中冲击韧性与加载速率间关系见图4。由图4可知，①同一目标温度下，试件的总冲击韧性及峰前、峰后冲击韧性均表现出明显的应变率效应，即应变率(冲击速率)越大冲击韧性越大；②同一应变率下试件冲击韧性随温度升高而降低，但在200℃时变化较复杂，即在低应变率条件下，试件冲击韧性仅为常温的一半左右，而在高应变率条件下甚至超过常温水平，亦即增幅最大；③200℃~600℃时试件峰前冲击韧性受高温作用影响不大，而800℃时冲击韧性明显降低。

图4　不同温度下冲击韧性与加载速率之关系 Fig.4 Relationship between impact toughness and impact velocity under different temperatures

进一步定义峰前韧性比、峰后韧性比及韧性转化比，即峰前冲击韧性与总冲击韧性之比、峰后冲击韧性与总冲击韧性之比及峰后冲击韧性与峰前冲击韧性之比。峰前韧性比越大表明能量积聚至临界状态越快，峰前强度丧失越快；峰后韧性比越大表明损伤演化越快，能量释放越迅速，试件损伤、变形速度越快，见图5。由图5可知，高温后试件冲击韧性比及韧性转化比受温度、冲击速率共同影响，即试件在同一目标温度下，由于峰后韧性增长速率大于峰前，因此随加载速率提高峰前韧性比不断降低，峰后韧性比及韧性转化比逐渐升高，而温度升高总体上使试件在同一加载速率下的峰前韧性比呈上升趋势，峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降；温度越高曲线下降或上升趋势越明显，说明温度弱化效应显著。

图5　不同温度下韧性比与加载速率之关系 Fig.5 Relationship between toughness ratio and impact velocity under different temperatures

机理分析：试件受200℃高温后初始损伤较低，且内部温湿环境有助于未水化完全的水泥颗粒进行二次水化[12]，使其破坏所需临界应力较大，因此在较低加载速率作用下外界输入的冲击能量部分用于试件变形破坏，部分以弹性能方式耗散释放，故其冲击韧性较低；随加载速率提高外界输入能量足以满足试件破坏所需，裂纹产生速度、扩展程度不断增加，耗能累积增大，致其冲击韧性在较高加载速率下不断提高，甚至超过常温水平；随作用温度不断升高试件内部劣化加剧，整体性能急剧下降，在外界动载作用下迅速失稳破坏，冲击韧性显著降低。

混凝土在变形过程中伴随多种能量形式[13-14]，主要有弹性势能、表面能、塑性势能、辐射能及动能等，参照关于岩石破坏过程中能量转化研究[15]，可认为在冲击荷载作用下试件到达峰值应力前主要为弹塑性变形，即存储应变能的耗散过程，而峰值应力后为能量急剧释放过程，且随应变率增大外界输入能量逐渐增加，试件产生大量微裂纹、孔洞，致试件变形性能及冲击韧性均获得提高。加载速率较低时试件内部损伤相对较少，能量累积较少；加载速率较高时试件内部裂缝充分发展变形性能显著提升，耗能明显增加。

3结论

(1)高温后混凝土试件峰值应变、流动应变及冲击韧性均随加载速率提高而增大。温度升高使试件峰值应变、流动应变逐渐增大，冲击韧性逐渐减小。

(2)随加载速率提高试件峰前韧性比不断降低，峰后韧性比、韧性转化比逐渐升高；高温总体使试件在同一加载速率下的峰前韧性比呈上升趋势，峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降。

(3)混凝土经200℃高温后内部变化较复杂，其综合性能有所提升，冲击韧性在低应变率下相对较小，在高应变率下甚至超过常温水平。

(4)高温后混凝土在峰值点前变形性能较好，在峰值点后变形性能甚至较常温显著下降。

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