静动组合荷载下混凝土高温后的双轴动态力学性能

2021-03-13王志航许金余王腾蛟孟博旭刘高杰

土木与环境工程学报 2021年2期

王志航，许金余,2，王腾蛟，孟博旭，刘高杰

(1. 空军工程大学航空工程学院，西安 710038; 2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072)

随着混凝土在工业与民用建筑、国防军事防护工程中的广泛使用，其在高温环境下由于力学性能和耐久性劣化，造成的工程结构安全性降低问题逐渐突出。在实际的建筑物火灾和核电站事故中，往往存在建筑内部的化学爆炸、建筑上部构件坍塌和喷水灭火等产生的冲击载荷，同时，很多混凝土结构处于多轴应力状态。另外，在国防工程防护中，混凝土结构也应考虑多轴应力和炸弹爆炸高温冲击的共同作用。在这些环境中，都必须考虑高温、多轴应力状态和冲击荷载耦合作用对混凝土的影响。

对混凝土在高温下的力学性能研究起步较早，从20世纪五六十年代就开始了大量研究[1-3]。但从现有的资料来看，有关高温下混凝土力学性能的研究多为静态力学性能，动态力学性能研究较少，且主要集中在高温与动荷载耦合作用下的力学性能研究[4-9]，很少考虑初始静荷载的存在。复杂应力状态下混凝土动态力学性能的研究较多[10-13]，但相关高温与复杂应力状态共同作用下混凝土动态力学性能研究才刚刚起步。

鉴于此，笔者采用真三轴静、动力综合加载试验系统，对处于双轴压应力状态下的高温后混凝土进行冲击荷载试验，通过分析应力-应变关系曲线、双轴动态抗压强度、平均应变率、峰值应变与温度的关系，研究温度对混凝土双轴动态力学性能的影响，从而为建筑物火灾和核电站事故后的安全性分析、国防军事防护工程的设计提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用的P.O 42.5R级水泥由秦岭水泥有限公司生产，表1为其基本参数。粗骨料选用粒径5～20 mm的泾阳县石灰岩碎石，密度2.70 g/m3，堆积密度1 500 kg/m3，含泥量0.2%。细骨料采用灞河中砂，级配良好，细度模数2.78，密度2.63 g/m3，堆积密度1 620 kg/m3，含泥量1.1%。采用符合检测标准的自来水。减水剂选用FDN高效减水剂。表2为每立方米混凝土的配合比及性能指标。

表1 水泥的基本参数Table 1 Basic parameters of cement

表2 混凝土配合比及性能指标Table 2 Concrete mix ratio and performance index

1.2 试验设备

加热设备采用BLMT型箱式高温电炉，如图1所示，加热原理为热传递方式，炉膛尺寸500 mm×500 mm×500 mm，发热原件为硅碳棒，共8根，均匀安装在炉膛左右两面，最高升温1 000 ℃，额定电压380 V，额定功率20 kW。采用真三轴静、动力综合加载试验系统(如图2所示)对混凝土试件施加静动组合荷载，通过静力加载系统对高温后的混凝土试件施加双轴静荷载，然后通过动力加载系统对混凝土试件主轴方向施加冲击荷载。

图1 高温加热系统Fig.1 High-temperature heating

图2 真三轴静、动力综合加载试验系统Fig.2 True triaxial static and dynamic comprehensive

真三轴静、动综合加载试验由洛阳腾阳机械科技有限公司与西安航空大学联合开发，主要由静力加载系统和动力加载系统两部分组成。静力加载系统为真三轴试验机，可以进行3个垂直方向的独立加载、卸载以及复杂路径的试验。动力加载系统基于SHPB理论[14-16]设计，主体试验设备包括压力装置、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆、操作台等部分。

在实际的军事防护工程建筑和工业民用建筑中，混凝土结构中梁、柱、板等基本构件相互连接、相互约束，大多处于双轴或三轴应力状态。如简支梁的截面受到弯矩和剪力的作用，处于双轴应力状态。考虑冲击荷载的作用，试验采用的静动组合荷载的施加如图3所示，σ1、σ2为双轴静荷载，σ动为冲击荷载。

图3 静动组合荷载的施加Fig.3 Application of combined static and dynamic

1.3 试件的制备

先将立方体钢模刷油以防止粘模具，再将根据表2配合比拌和的混凝土置入钢模中，然后在振动台上振动成型。试件室内放置24 h后拆模，对制备的试件进行标准养护，养护28 d。试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 和70 mm×70 mm×70 mm的立方体。

试验采用5组温度，分别为常温(25 ℃)、200、400、600、800 ℃。每组6个混凝土试件，3个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件用于测量高温后的强度，3个70 mm×70 mm×70 mm的立方体试件用于测量高温后双轴动态力学性能，试验结果取平均值。在对试件进行高温加热过程中，采取了降低含水率和温度梯度两个措施来降低混凝土产生爆裂的可能性。通过将试件放入100 ℃ 的电炉箱内恒温15 min来降低含水率；通过调节电炉电压至70 V(升温速率为0.5 ℃/s)来减小温度梯度。

将电炉箱清理干净后，关闭箱门，打开电源，调节温控器至100 ℃。加热完毕后，将标准试件置于电炉箱内，恒温15 min进行除湿。调节温控器，将试件加热到相对应的温度后，恒温6 h，使试件物理化学反应更充分和达到稳定温度场。然后打开箱门，将试件取出，自然冷却，制成不同高温后的混凝土试件。试件加热过程中，有少量蒸汽从电阻炉内冒出，混凝土失水。高温后，试件整体性保持较好，800 ℃后有个别边角骨料脱落，可以看出存在许多小裂缝，但没有严重开裂。试件在高温前后的状态如图4所示。

图4 高温前后混凝土试件Fig.4 Concrete specimen before and after high

1.4 试验方法

(1)

式中：E为杆的杨氏弹性模量；A、As分别为杆、试件的横截面积；εi、εr、εt分别为杆中入射、反射、透射应变；τ1、τ2分别为反射波、透射波相对于入射波的时间延迟。

图5 静动组合荷载的加载方法Fig.5 Loading method for combined static and dynamic

表3 高温后静动组合荷载下混凝土试验结果Table 3 Test results of concrete under combined static and dynamic loads after high temperature

续表3

2 试验结果与分析

2.1 温度对混凝土应力-应变关系曲线的影响

利用“三波法”对采集到的数据进行处理，图6为相同轴压比∶侧压比的静动组合荷载下混凝土高温后双轴动态抗压应力-应变关系曲线，为平均值曲线；图7为200、800 ℃高温后混凝土试件双轴动态抗压应力-应变关系曲线。从图6可以看出，不同温度后，混凝土应力-应变关系曲线的形状大致相同，与常温下曲线相似。在25 ～200 ℃范围内，曲线为单峰曲线，有明显的峰值，没有平台；但当温度在400 ～800 ℃范围内，曲线出现明显的平台，而且峰后阶段较为平缓，没有发生迅速跌落，混凝土在较大的应变范围内保持强度。高温后静动组合荷载下，曲线的线性段比常温时有所下降，线性段下降的幅度与温度的大小直接相关，温度越大，线性段下降的幅度越大；经历高温作用后，混凝土的内部结构遭到破坏，混凝土变脆，弹性模量减小，温度软化作用明显。随着温度的升高，峰部先抬高后下降；当温度为200 ℃时，峰部最高，峰值应力提高。

图6 高温后混凝土的双轴动态抗压应力-应变关系曲线Fig.6 Biaxial dynamic compressive stress-strain curve of

混凝土是一种多相混合材料，且随外界环境条件的变化而变化。温度作用下混凝土各种物理、化学变化等共同影响混凝土的双轴动态强度及变形特性。由图6可知，在一定条件下表现为温度的强化效应，在另外一些条件下表现为温度的弱化作用。温度作用下混凝土各种微缺陷的孕育、扩展和汇合，各种水分的转移、蒸发，各种矿物成分的分解、转化，共同影响着高温后混凝土的双轴动态力学性能。

图7 部分高温后混凝土试件的双轴动态抗压应力-应变关系曲线Fig.7 Biaxial dynamic compressive stress-strain curve of concrete specimens after partial high

同时，混凝土材料在静动组合荷载下的动态行为与静力作用下的力学行为最显著的区别是混凝土力学特性的应变率敏感性。当温度升高时，峰值应力和峰值应变时的应变率敏感性增强，在图6应力-应变关系曲线上表现为峰部出现平台，峰后曲线下降变缓。

2.2 温度对混凝土双轴动态抗压强度的影响

高温后混凝土的抗压强度、双轴动态抗压强度随温度的变化规律如图8所示，图8为平均值曲线。由图8可见，随温度的升高，混凝土抗压强度呈现逐渐降低的趋势。当温度为200、400、600、800 ℃时，强度普遍低于常温时的强度，与常温相比，降幅分别为10.01%、26.02%、44.99%、70.00%。在经历800 ℃高温后，混凝土的抗压强度仅为16.3 MPa。从混凝土抗压强度与温度的拟合曲线可以看出，两者之间有良好的线性关系。对于混凝土的双轴动态抗压强度而言，在25～400 ℃存在其抗压强度变化的转折点。当温度在200 ℃时，增幅为14.91%，双轴动态抗压强度达到210.38 MPa；在温度为400～600 ℃时，双轴动态抗压强度迅速下降。当温度为400、600 ℃时，与常温相比,双轴动态抗压强度降幅分别为19.07%、52.32%。在经历800 ℃高温后，双轴动态抗压强度为72.03 MPa，与25 ℃相比，强度下降65.76%左右。温度对混凝土的双轴动态抗压强度既有强化作用，又有弱化作用，存在一个界限值。

图8 高温后混凝土抗压强度、双轴动态抗压强度与温度的变化曲线Fig.8 Curves of concrete compressive strength, biaxial dynamiccompressive strength and temperature after high

混凝土在高温前后的双轴动态抗压强度差异是由于各个高温等级所导致的微观结构不同而引起。当温度不是很高时，由于粗骨料和水泥石的热工性能差异，温度升高，粗骨料和水泥石受热膨胀，会填充一部分原生裂缝，使得裂缝数量减少，同时，双轴静载的轴压作用也在一定程度上限制了裂缝的发育，从而使得混凝土内部结构孔隙率下降。除此之外，混凝土内部吸附的水分发生迁移，水泥凝胶体颗粒间表面张力增大，这在一定程度上会导致混凝土的承载力增强，从而使其双轴动态抗压强度变大。但当温度继续升高时，水泥凝胶体开始脱水，C—S—H的层间水蒸发以及C—S—H、氢氧化钙分解而失水，粗骨料和水泥石等脆性材料性质弱化，过渡区性能进一步降低，导致混凝土结构损伤加重。同时，由于粗骨料和水泥石的线膨胀系数差异，温度升高，差异变大，导致新裂缝的产生和原生裂缝的发育，从而使混凝土的双轴动态抗压强度等发生显著的劣化。

从混凝土材料应变率敏感性考虑，混凝土双轴动态抗压强度的提高可以从两方面分析：一方面，在冲击荷载作用下，混凝土材料在中高应变率状态下发生显著改变，但由于试件尺寸较大，中心部位因为惯性效应的作用，侧向发生变形受到约束，产生了环箍效应，类似围压作用的存在，在一定程度上提高了混凝土的双轴动态抗压强度。另一方面，混凝土微裂缝的产生与发展过程本质上都是一个消耗能量的过程，新裂缝产生与原生裂缝的发展度需要从外部吸收能量；但由于冲击荷载应变率较高，作用时间极短，混凝土没有足够的时间去集聚能量，根据冲量定理，只有通过提高应力的方式来抵消外部的冲量，这在一定的程度上也提高了混凝土的双轴动态抗压强度，表现为图8中曲线先上升。

就双轴动态抗压强度随温度的整体变化趋势来看，温度变化对高温后混凝土的双轴动态抗压强度起主导作用，应变率变化只起部分作用。

2.3 温度对混凝土平均应变率的影响

试件破坏前应变率时程曲线上应变率值上下振荡相对较稳定，即近似恒应变加载阶段，取该阶段的均值为平均应变率。如图9所示，取22 ms后较稳定的阶段平均值为平均应变率。平均应变率是表征混凝土应变速率的一种度量，是反映混凝土变形性能的重要指标。高温后混凝土在静动组合荷载下平均应变率的变化规律如图10所示，图10为平均值曲线。由图10可以看出，在高温和静动组合荷载耦合作用下，混凝土的平均应变率都达到了中高应变率区(101～102s-1)。整体上，在同一冲击速率下，混凝土的平均应变率表现出显著的温度效应，常温时平均应变率最小，随着温度升高，平均应变率有逐渐增大的趋势，说明高温环境下混凝土抵抗变形的能力减弱。平均应变率随着温度的升高，增加得越来越快，当温度达到800 ℃时，平均应变率为79.44 s-1，与25 ℃相比，增幅达到94.66%。高温作用后混凝土内部裂缝增多，混凝土发生劣化，性能降低。通过建立平均应变率与温度的定量关系，发现温度会对平均应变率产生直接的影响。当温度升高时，在图10上表现为平均应变率增大。温度升高，混凝土劣化变脆，平均应变率增大。

图9 800 ℃高温后混凝土应变率时程曲线Fig.9 Time history curve of concrete strain rate after

图10 高温后混凝土平均应变率与温度的变化曲线Fig.10 Curve of average strain rate and temperature of

2.4 温度对混凝土应变的影响

峰值应变是峰值应力对应的应变。均值应变取的是应力-应变关系曲线所围面积与峰值应力的比值。峰值应变相对值是高温后混凝土的峰值应变与25 ℃时峰值应变的比值。高温后混凝土的峰值应变、峰值应变的相对值以及均值应变随温度的变化规律如图11所示，图11为平均值曲线。从图中可以看出，高温加热处理对混凝土在静动组合荷载下的峰值应变有明显影响，随着温度的升高，峰值应变近似线性增大。经历200、400、600 ℃高温处理后，峰值应变的增幅达到23.43%、54.28%、82.90%；且在经历800 ℃高温处理后，峰值应变达到0.56%，增幅一倍多，为109.29%。均值应变也随温度的升高而增大，且在经历800 ℃高温处理后，增幅达到133.21%。高温加热处理会导致混凝土试件中部分水分的丢失以及颗粒之间间距增大，进而引起材料形变的增加。高温后混凝土材料的峰值应变和均值应变都表现出应变率敏感性。反映在图11上为峰值应变和均值应变增大。