高温作用下混凝土动态力学性能时间效应试验研究

李洪超，刘殿书，黄永辉，梁书锋，李明慧

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2.昆明理工大学 电力工程学院，昆明 650500)

混凝土材料作为当代最重要的土木工程材料之一，正在被广泛地应用于建筑与桥梁等工程领域。随着国民经济的快速发展，城市建筑越来越高且密度越来越大，这无疑增大了火灾的危险性和扑救的难度，近年来因火灾而导致建筑物倒塌的事故时有发生。同时，大量人为的恐怖爆炸事件和化工厂由于操作不当等原因引发的事故不仅使建筑结构遭受爆炸和火灾的袭击，也会因此而发生结构的连续倒塌［1］。自美国911事件以来，人们认识到钢结构建筑在耐热方面的巨大缺陷，而混凝土作为一种热惰性建筑材料，具有远优于钢材、木材等建筑材料的耐热性能，因此其高温力学性能再次受到人们的强烈关注［2］。

在爆炸事故时有发生的情况下，作为最常见建筑材料的混凝土有同时经受爆炸冲击和爆炸引起高温影响的危险。为改善建筑结构的抗爆性能，有必要对混凝土材料在高温条件下的动态力学性能进行研究。李奎等［3］、范飞林等［4］和陶俊林等［5］利用 SHPB 系统对混凝土试件进行了不同温度下的冲击压缩试验，分别证明了混凝土具有明显的应变率效应和温度损伤效应以及温度变化是影响混凝土力学性能的主要因素;贾彬等［6－7］利用SHPB系统进行了高温、冲击载荷下的混凝土动态力学特性试验，得到了混凝土在高温下出现了塑性流动现象，且动态抗压强度随加载应变率增加而增大，随温度升高而减小的结果;Li等［8］利用SHPB装置对混凝土室温与高温后的动态力学性能进行对比试验，得出了当温度在400℃ ～800℃之间时，其动态抗压强度明显降低，临界应变明显增大的结论。虽然已有众多学者进行过混凝土的高温力学性能试验，但关于高温且不同加热时间对混凝土动态力学性能影响的研究却很少见到。因此，本文在高温且不同加热时间的条件下，利用Φ75mm SHPB试验装置进行混凝土的动态抗冲击试验，研究温度和加热时间对混凝土动态力学性能的影响，为合理评估混凝土建(构)筑物在火灾(高温)下的抗冲击和抗倒塌性能提供试验依据。

1 高温下C60混凝土的SHPB试验

1.1 试验材料

试验用混凝土采用C60标准配合比，经过拌合、装模、振捣、拆模，在放入中国矿业大学(北京)的土木实验室标准养护室(温度20±30℃，湿度95%以上)养护28天后，委托混凝土专业厂商加工成Φ75mm×50mm的标准圆柱体试件(见图1)。

图1 C60混凝土试件Fig.1 C60concrete specimens

1.2 试验仪器

图2 中国矿业大学(北京)Φ75mm SHPB试验装置Fig.2 Φ75mm SHPB test apparatus of CUMTB

图3 加热电阻炉Fig.3 Temperature control device

图4 温度控制器Fig.4 Experimental resistance furnace

图5 红外测温仪Fig.5 Infrared thermoter

试验采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室自行设计建立的一套Φ75mm SHPB试验装置(见图2)。SHPB试验装置主要由动力系统、压杆系统、测量记录系统三部分组成。试验所采用的加热设备为龙口市电炉厂生产的陶瓷纤维电阻炉(见图3)，额定温度为1300℃;另配备温度控制器对电炉的温度进行测量、指示和自动控制(见图4);测温仪器采用红外线测温枪(见图5)，其测温范围为－50℃ ～900℃。

1.3 试验步骤

(1)试件在不同温度中形成稳态温度场的加热时间

试验共设六种不同的试验温度，分别是室温、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃。为了保证对试件加热均匀，使试件内外温度一致，采用ANSYS有限元软件对混凝土试件在高温炉中的温度场进行计算分析，以确定不同温度组试件的加热时间。采用SOLID70单元对温度场进行计算，计算时设置试件半径为37.5mm，长度为50mm;热交换系数k为50 W(m2*K);试件的初始温度为20℃，目标温度为500℃;混凝土的热传导系数，当温度小于293℃时取1.335，当温度大于293℃取 －0.001241 T+1.7162;混凝土的密度为2300 kg/m3;混凝土的比热容为840+420*T/850。

其计算结果仅以炉膛温度400℃时为例，图6为400℃条件下加热10 min时试件内部温度的分布情况，图7为400℃条件下试件在形成均匀温度场时的温度时程曲线。

由上述计算可知，对试件进行高温加热时，炉膛内形成100℃、200℃、300℃、400℃、500℃稳态温度场所需时间分别为 50 min，60 min，75 min，80 min，130 min。

(2)试件在不同稳态温度场基础上的加热持续时间(稳态温度场持时)

图6 400℃加热10 min试件温度分布图Fig.6 Temperature distribution graph after heating 10 min in 400℃

图7 400℃试件中心、底面中心、上缘三点温度时程曲线Fig.7 Three points temperature time-history curves on the specimen

在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃稳态温度场的基础上，为了研究不同加热时间对混凝土力学性能的影响，又设 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min五个等级的加热持续时间，即稳态温度场持时，分别用－0，－1，－2，－3，－4代表。因此，各温度组试件所需加热的总时间如表1所示。

表1 试件加热时间分配表(min)Tab.1 The specimen heating time allocation table(min)

(3)试验装置

用温度控制器将电阻炉的温度设定到指定温度，当炉膛内的温度达到设置温度后将试件放入其中，用纤维电阻炉对试件进行加热使试件内外形成均匀的温度场。

试验前，需要将撞击杆、输入杆、和输出杆调整到同一个平面上，并使3杆的轴心线相互连接成为一条直线，设置好测试软件参数，将动力系统充到预定气压，在试件安装完成后便可进行冲击试验。

2 试验结果及分析

2.1 高温中混凝土的波形曲线及破坏形态

鉴于篇幅关系，本文只列举出100℃高温环境中部分试件冲击波形曲线和破坏形态。

从图9可以看出在100℃不同加热时间的情况下，C60混凝土试件的破坏情况发生了明显的变化，当加热时间＜110 min时，试件被破坏成几大块;当加热时间＞140 min时，试件被完全破坏。

图8 100℃稳态温度场持时120 min的混凝土试件冲击试验实测波形Fig.8 Concrete specimen impact experiment practical measured wave shape under 100℃steady-state temperature field and heating duration being 120min condition

图9 100℃不同稳态温度场持时的混凝土试件冲击破坏形态Fig.9 Concrete specimen impact failure pattern under 100℃steady-state temperature Field and different heating time

2.2 高温下不同加热时间的试件动态力学性能研究

在本次试验中，根据“三波”公式可以得出在冲击载荷作用下(应变率范围在73～117 s－1间)C60混凝土试件的动态应力－应变关系曲线［9－10］;采用最小二乘法将峰值应变与动态抗压强度分别与加热时间进行拟合分析，得到峰值应变与加热时间和动态抗压强度与加热时间拟合曲线(拟合曲线所需试件动态性能参数以表2为例)。

(1)100℃高温下试件动态力学性能分析

由图10～13可知，在100℃的稳态温度场中，随着加热时间的不断增加，试件的动态抗压强度不断减小，弹性模量显著降低，峰值应变总体上呈增大趋势;当稳态温度场持时为0 min、30 min、60 min时，试件的动态抗压强度均高于室温条件下的动态抗压强度;当稳态温度场持时为90 min、120 min时，试件的动态抗压强度均低于室温条件下的动态抗压强度。

表2 100℃试件动态力学性能参数统计表Tab.2 Dynamic mechanical property parameter statistics of specimen at 100℃

备注:N为冲击试验试件编号，100－4－1表示在100℃稳态温度场持时120 min的第一块试件;RT为室温;T为温度℃;ε为峰值应变;σ为动态抗压强度(MPa);t为总加热时间(min);由于篇幅关系，200℃、300℃、400℃、500℃试验所得试件动态力学性能参数不再列出。

图10 100℃不同加热时间动态应力应变关系曲线Fig.10 Dynamic stress-strain curves at100℃and different heating time

图11 100℃加热时间与弹性模量关系曲线Fig.11 Heating time-elasticity modulus curve at 100 ℃

图12 100℃加热时间与峰值应变关系曲线Fig.12 Heating time-peak strain curve at100 ℃

图13 100℃加热时间与动态抗压强度关系曲线Fig.13 Heating time-dynamic strength curve at 100 ℃

(2)200℃高温下试件动态性能分析

由图14～17可知，在200℃的稳态温度场中，随着加热时间不断增加，试件的动态抗压强度总体上减小，弹性模量减小，峰值应变总体上增大;当稳态温度场持时为 0 min、30 min、60 min、90 min、120 min 时，试件的动态抗压强度均高于室温条件下的动态抗压强度。

(3)300℃高温下试件动态性能分析

由图18～21可知，在300℃的稳态温度场中，随着加热时间的不断增加试件动态抗压强度降低，弹性模量减小，峰值应变增大;当稳态温度场持时为0 min、30 min、60 min、90 min、120 min 时，试件的动态抗压强度均高于室温条件下的动态抗压强度。

图14 200℃不同加热时间动态应力应变关系曲线Fig.14 Dynamic stress-strain curves at200℃and different heating time

图15 200℃加热时间与弹性模量关系曲线Fig.15 Heating time-elasticity modulus curve at200 ℃

图16 200℃加热时间与峰值应变关系曲线Fig.16 Heating time-peak strain curve at200 ℃

图17 200℃加热时间与动态抗压强度关系曲线Fig.17 Heating time-dynamic strength curve at200 ℃

图18 300℃不同加热时间动态应力应变关系曲线Fig.18 Dynamic stress-strain curves at 300℃and different heating time

图19 300℃加热时间与弹性模量关系曲线Fig.19 Heating time-elasticity modulus curve at 300 ℃

图20 300℃加热时间与峰值应变关系曲线Fig.20 Heating time-peak strain curve at300 ℃

(4)400℃高温下试件动态性能分析

由图22～25可知，在400℃的稳态温度场中，随着加热时间不断增加，试件的动态抗压强度不断降低，弹性模量减小，峰值应变总体上增大;当稳态温度场持时为0 min、30 min、60 min时，试件的动态抗压强度均高于室温条件下的动态抗压强度;当稳态温度场持时为90 min、120 min时，试件的动态抗压强度均明显小于室温条件下的动态抗压强度。

图21 300℃加热时间与动态抗压强度关系曲线Fig.21 Heating time-dynamic strength curve at300 ℃

图22 400℃不同加热时间动态应力应变关系曲线Fig.22 Dynamic stress－ strain curves at400℃and different heating time

图23 400℃加热时间与弹性模量关系曲线Fig.23 Heating time-elasticity modulus curve at400 ℃

图24 400℃加热时间与峰值应变关系曲线Fig.24 Heating time-peak strain curve at400 ℃

图25 400℃加热时间与动态抗压强度关系曲线Fig.25 Heating time-dynamic strength curve at400℃

(5)500℃高温下试件动态性能分析

由图26～29可知，在500℃的稳态温度场中，随着加热时间的增加，试件的动态抗压强度先是降低而后趋于稳定，弹性模量减小，峰值应变增大;当稳态温度场持时为0 min时，试件的动态抗压强度高于室温条件下的动态抗压强度;当稳态温度场持时为30 min、60 min、90 min、120 min时，试件的动态抗压强度均明显小于室温条件下的动态抗压强度。

图26 500℃不同加热时间动态应力应变关系曲线Fig.26 Dynamic stress-strain curves at 500℃and different heating time

图27 500℃加热时间与弹性模量关系曲线Fig.27 Heating time-elasticity modulus curve at 500 ℃

2.3 高温下试件动态性能分析

图28 500℃加热时间与峰值应变关系曲线Fig.28 Heating time-peak strain curve at500 ℃

图29 500℃加热时间与动态抗压强度关系曲线Fig.29 Heating time-dynamic strength curve at500 ℃

为研究不同温度对试件动态力学性能的影响，将各温度下刚刚形成稳态温度场时(稳态温度场持时0 min)试件的峰值应变与动态抗压强度分别和温度进行拟合分析，得到图30～31中拟合曲线。由图30～31可知，随着加热温度的升高，试件动态抗压强度呈先增大后减小的趋势，峰值应变不断增大，且当温度达到200℃左右时，试件动态抗压强度达到最大。

3 结论

(1)在不同高温下，随着温度的升高试件动态抗压强度先增大后减小，且当温度达到200℃左右时，试件动态抗压强度达到最大;随着温度的升高，试件峰值应变增大，试件表现出明显的塑性流动现象。

(2)在相同高温不同加热时间条件下，随着加热时间的增加，试件动态抗压强度不断降低，且在500℃的稳态温度场中，当加热时间＞190 min时，试件动态抗压强度已经不再降低趋于稳定。

(3)在相同高温不同加热时间条件下，随着加热时间的增加，试件峰值应变不断增大，弹性模量不断减小，试件韧性越来越来越强。

(4)在高温环境中混凝土材料力学性能的劣化必将导致凝土构件强度的减弱，这必将大大影响混凝土结构在火灾(高温)下的抗冲击和抗倒塌性能。因此，在混凝土材料室内高温撞击试验的基础上，进一步深入研究混凝土试件力学性能劣化和混凝土构架强度之间的关系有着重大的工程实际意义。

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