高温条件下钢纤维混凝土动态抗压性能试验研究

彭 帅， 李 亮， 吴 俊,2， 姜锡权， 杜修力

(1. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2. 上海工程技术大学 轨道交通学院，上海 201620； 3. 陆军炮兵防空兵学院，合肥 230031)

研究高应变率及高温条件下混凝土材料力学特性的重要手段是开展相关的试验研究。国内外学者开展了混凝土材料在高温条件下的动态加载试验，何远明等[1]运用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置和特制的高温试验炉对钢管混凝土进行高温条件下的冲击试验，并对试件的升温过程进行数值模拟，对试验结果进行验证。结果表明钢管混凝土是一种比较好的抗高温抗冲击材料。Su等[2]通过自主研制的加热装置研究了混凝土在不同温度下的动态抗压强度，试验结果表明在不同温度下混凝土的动态抗压强度和能量吸收比均随应变率的增加而增大，并建立了动态强度增长因子(Dynamic Increase Factor，DIF)和能量吸收率关于温度和应变率的表达式。Chen等[3]通过SHPB试验装置和工业微波加热炉对普通混凝土进行了高温高应变率加载试验，讨论了温度和应变率对混凝土材料力学性能的影响，并给出了不同温度条件下混凝土的动态强度增长系数与应变率的关系式。此外，王宇涛等[4-6]都开展了混凝土材料的高温动态加载试验研究。

本文拟采用直径为75 mm的大直径SHPB试验装置和电阻式高温加热炉对钢纤维混凝土试件进行高温条件下的动态冲击试验，研究温度和应变率对钢纤维混凝土在高温条件下动态力学性能的影响规律，并对比钢纤维混凝土和普通混凝土高温动态力学性能的差异。此外，作为计算动态强度增长因子的基础，还将进行钢纤维混凝土试件在高温条件下的静态压缩试验。

1 试验简介

1.1 试件制备

本次试验中，水泥选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径为5～10 mm卵石和碎石；细骨料选用中粗河沙，大粒径5 mm，细度模数2.8～3.0,含泥量小于1%；外加剂选用聚羧酸高效减水剂母液；钢纤维选用超短超细镀铜钢纤维，其纤维长度8 mm、弹性模量210 GPa、抗拉强度3 600 MPa；本次试验的试件所采用的配合比见表1。

表1 混凝土试件配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg/m3

用于静态压缩试验的试件为直径70 mm，高140 mm的圆柱形试件，用于动态冲击试验的试件为直径70 mm，高35 mm的圆柱形试件。试件通过相应尺寸的模具制作而成，在试验之前全部进行打磨，保证其端面的平整度和平行度都满足试验求。

1.2 试验设备

本次试验采用的高温动态加载设备由SHPB试验系统以及特制的电阻式高温加热炉组成(见图1)。试验过程中试件从开始加热到保温完成后进行动态加载均在炉腔内进行。采用郑州大学教育部纤维复合建筑材料与结构工程研究中心的高温压缩试验机(见图2)对钢纤维混凝土试件进行高温条件下的静态压缩试验。

1.3 加载方案

本次试验通过对处于20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃等不同温度下的三种配合比的混凝土试件进行静态压缩试验和不同子弹射速的动态冲击试验，得到其在相应试验条件下的应力-应变曲线。通过对试验得到的应力-应变曲线进行比较，分析温度、应变率对钢纤维混凝土材料抗压性能的影响。由于混凝土材料是一种非均质材料，因此在静态压缩试验中每种配合比试件在同一试验条件下进行三次加载试验，试验结果取三次试验的平均值。在进行动态冲击试验时，对每种配合比试件在相同试验条件下进行多次重复试验(一般需5次)，选取破坏模式和应力-应变曲线相似的三组有效数据进行平均化处理作为该试验条件下的试验结果。

图1 高温动态加载设备Fig.1 Dynamic loading equipment for elevated temperature

图2 高温压缩试验机Fig.2 Compression test machine for elevated temperature

1.4 加热方案

混凝土材料作为一种热惰性材料，研究其在高温状态下的力学性能必须保证加载时混凝土试件整体均匀地处于目标温度。由于本文研究工作中涉及的静态试验和动态试验的加热设备不同，试件的尺寸也不同，因此针对静态和动态试验分别制定不同的加热方案以确保试件在加载时的温度满足要求。

根据之前研究人员使用本文高温静压设备的经验，结合此次试验的试件尺寸，本文的高温静态压缩试验采用的加热方案如图3所示：试件加热过程中炉腔每分钟升温3.33 ℃，炉腔到目标温度后保持温度不变维持一定时间，其中炉腔加热到200 ℃，400 ℃时维持温度2 h，加热到600 ℃，800 ℃时维持温度3 h，确保对试件进行加载时，试件整体均匀处于目标温度。

对于高温条件下的动态冲击试验，通过在试件中心埋置热电偶的方法实时测量试件中心温度随炉腔温度的变化情况。由于试件关于中心轴对称且四周均匀受热，因此可以认为当试件中心达到目标温度时试件整体均匀达到目标温度。进行三次测量，求其平均值作为测量结果，以确定高温条件下动态冲击试验的加热方案(加热时间和保温时间)。不同目标温度对应的试件中心的升温过程如图4所示，由此得到的试件加热方案如表2所示。

图3 高温静态试验加热方案Fig.3 Heating scheme for static loading test at elevated temperature

图4 试件中心升温过程Fig.4 Temperature rising course of specimen center

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2 试验结果及分析

2.1 破坏状态对比

加载速率为8 m/s时，三种配合比的混凝土试件在常温、600 ℃，800 ℃下的破坏状态的对比如图5所示。通过横向对比可以看出，普通混凝土承受动态荷载后基本上完全碎裂而钢纤维混凝土的破坏程度远低于普通混凝土；当试验温度达到800 ℃后，钢纤维混凝土试件的破坏情况与普通混凝土基本一致，但还存在较大的碎块未完全碎裂。说明钢纤维的添加可以显著提高混凝土材料的的抗冲击性能。受到爆炸冲击荷载的作用时，使用钢纤维混凝土的结构构件相比使用普通混凝土的结构构件可以减少破片的飞散，更好地保护建筑物内的人员和设施。当混凝土材料的温度达到800 ℃后钢纤维对混凝土材料的抗冲击能力的提升作用基本丧失。通过纵向对比可以看出：对于同一配合比混凝土试件，随着试验温度的升高，试件的破坏程度越来越严重。

在其他的加载速率条件下，三种配合比的混凝土试件的破坏状态的对比具有和图5相同的规律。在同一试验温度下，试件的破坏状态随着加载速率的提高而加剧，其中普通混凝土试件在各加载速率下都发生破碎，加载速率越高碎裂程度越严重；钢纤维混凝土试件在本次试验的加载速率下(除800 ℃以外)并无明显破碎，只是随着加载速率的增大，试件上的裂缝变大增多。

图5 不同温度下不同类型混凝土试件破坏情况对比Fig.5 Comparison of failure performance of concrete specimens at different temperatures

2.2 温度的影响

表3给出了不同加载速率下，三种配合比试件在不同温度条件下的动态强度和峰值应变。由表中数据可知，钢纤维的添加对混凝土动态抗压强度的提升并不明显，但可以显著提高其在动态加载条件下的变形能力。冲击加载速率为8 m/s时，不同温度条件下试件的应力-应变曲线的对比如图6所示。由图可知，在动态加载速率一定的情况下，随着试验温度的提高，试件的应力-应变曲线逐渐趋于扁平，其动态抗压强度逐渐降低，峰值应变逐渐增大。以C60S2试件为例，其在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃时的动态抗压强度分别为常温下动态抗压强度的78%，69%，55%和29%。这种变化表明高温对钢纤维混凝土和普通混凝土的动态力学性能有明显的损伤作用。当试验温度为200 ℃时，三种配合比试件的动态抗压强度相比常温有明显的下降，峰值应变增大；当试验温度为400 ℃时，三种混凝土试件的动态抗压强度与200 ℃时相比略微降低，峰值应变继续增大。当试验温度为600 ℃和800 ℃时，三种混凝土材料的动态抗压强度均随温度的升高而大幅度降低，峰值应变显著增大。

图6 冲击加载速率为8 m/s时的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve when the impact velocity is 8 m/s

对于混凝土材料的强度随着温度升高而降低的现象，一些学者通过对高温后的混凝土材料进行微观分析指出[7-9]：当试验温度在300 ℃以内时，混凝土材料中的自由水和一部分凝胶水蒸发，水泥浆体收缩骨料受热膨胀，混凝土材料更加密实，同时混凝土试件内部也会产生一些微裂缝，强度提高因素和损伤因素共同产生影响，此阶段混凝土的强度变化比较复杂，静态加载条件下强度在常温水平上上下波动，但动态加载时，由于内部微裂缝的存在强度会有明显的下降；当温度达到400 ℃时，C-S-H凝胶体开始变得松散，氢氧化钙开始少量分解；当温度达到500 ℃时，混凝土完全脱水，浆体大幅度收缩同时骨料继续受热膨胀，内应力变大，骨料和浆体的黏结面出现开裂，氢氧化钙大量分解，混凝土试件的内部结构破坏，抗压强度急剧下降；当温度达到600 ℃时，混凝土试件的内应力继续增大，裂缝继续发展同时石英开始由α型转变为β型，体积发生膨胀，混凝土内部结构破坏加剧；当温度达到700 ℃时，氢氧化钙大量分解，骨料与浆体之间的裂缝迅速扩展；当温度达到900 ℃时，石灰石开始分解，骨料与浆体完全脱离，混凝土几乎完全丧失承载能力。

2.3 应变率的影响

图7为C60S1试件在不同应变率条件下的应力-应变曲线。由图7可知，在试验温度为400 ℃时，平均应变率由75 s-1提高到105 s-1，峰值应力从91 MPa提高到102 MPa，提高了约12%；应变率由75 s-1提高到140 s-1，峰值应力从91 MPa提高到113 MPa，提高了约24%。由试验结果可以得到，无论是常温试验条件还是高温试验条件下，三种配合比的混凝土试件其动态抗压强度和峰值应变均随着应变率的增大而提高，表明在常温和高温条件下普通混凝土和钢纤维混凝土的动态抗压强度均具有应变率增强效应。

图7 不同应变率条件下的应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves for different strain rate

对于混凝土材料的动态抗压强度随着应变率的增大而提高的物理机制的解释可以归纳为以下三方面：①黏性效应。当混凝土材料的应变率响应小于1 s-1时，材料的动态力学性能主要由黏性机制主导，对于材料的压缩特性，Gary等[10]认为10 s-1为物理机制的显著改变临界值；②裂纹演化。混凝土材料在动态荷载作用下裂纹由微裂纹阶段发展到微裂纹局部化阶段再发展到宏观裂纹开裂阶段；③惯性效应。Lu等[11]认为当混凝土材料的应变率响应大于30 s-1时，材料的动态力学性能主要以惯性效应为主。

表3 不同温度条件下混凝土试件SHPB试验结果Tab.3 SHPB test results of concrete specimens at different temperature

3 高温条件下钢纤维混凝土动态强度的应变率效应

动态强度增长因子(DIF)[12]，即混凝土材料的动态强度与静态强度的比值，常被用来表征混凝土材料的应变率效应。图8给出了三种配合比的试件在不同温度条件下DIF值随应变率的变化情况。由图8可知，在高温条件下，随着应变率的增大，DIF值不断增大，表明在高温条件下钢纤维混凝土材料的动态抗压强度具有应变率强化效应。图9给出了在冲击速率为8 m/s的情况下，三种配合比试件的DIF值随温度的变化。由图可知，温度的变化对钢纤维混凝土的DIF值有较大的影响，在同一冲击速率下随着温度的升高，其DIF值先减小后增大。在800 ℃时，钢纤维混凝土的DIF值明显大于常温条件下的DIF值，这表明高温条件下钢纤维混凝土的应变率效应更加显著。

图8 不同温度条件下DIF与应变率的关系Fig.8 Variation of DIF with strain rate at different temperatures

图9 不同温度条件下的DIFFig.9 DIF at different temperatures

4 结 论

本文应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉组合的试验系统，开展了高温条件下钢纤维混凝土与普通混凝土材料的动态抗压性能试验研究，研究了温度和应变率对钢纤维混凝土动态压缩性能的影响，并对比了钢纤维混凝土与普通混凝土动态压缩特性的差异。由试验结果的分析可以得到以下结论：

(1) 随着试验温度的升高，钢纤维混凝土的动态抗压强度逐渐下降，动态峰值应变逐渐增大，即钢纤维混凝土具有明显的温度损伤效应，随着温度的升高，其动态力学性能逐渐劣化。

(2) 在高温条件下，钢纤维混凝土表现出明显的应变率强化效应，其动态抗压强度和DIF值随着应变率的增大而提高。

(3) 在相同的冲击加载速率下，钢纤维混凝土的DIF值随着温度的升高先减小后增大，高温条件下钢纤维混凝土的DIF值高于其常温条件下的DIF值。

(4) 在动态加载条件下，钢纤维的添加可以显著增强混凝土材料的抗冲击能力，表现在钢纤维的添加提高了混凝土材料的峰值应变，即增强了混凝土材料在动态加载条件下的变形能力。另一方面，在本文所研究的含量范围内，钢纤维的添加对混凝土材料动态抗压强度的提升作用并不明显。