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不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究

孟龙 黄瑞源 蒋东 肖凯涛 李平

孟龙, 黄瑞源, 蒋东, 肖凯涛, 李平. 不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究[J]. 工程力学, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
引用本文: 孟龙, 黄瑞源, 蒋东, 肖凯涛, 李平. 不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究[J]. 工程力学, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
Long MENG, Rui-yuan HUANG, Dong JIANG, Kai-tao XIAO, Ping LI. RESEARCH ON DYNAMIC SPLITTING-TENSILE PROPERTIES OF CONCRETES WITH DIFFERENT STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
Citation: Long MENG, Rui-yuan HUANG, Dong JIANG, Kai-tao XIAO, Ping LI. RESEARCH ON DYNAMIC SPLITTING-TENSILE PROPERTIES OF CONCRETES WITH DIFFERENT STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310

不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
基金项目: 国家自然科学基金项目(11802001,11402266,11772160);装备预研基金项目(61426040403162604005,614260404021801);中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心开放基金项目(20200203)
详细信息
    作者简介:

    孟 龙(1995−),男,山西人,硕士生,主要从事混凝土动态力学性能研究(E-mail: 18205177651@163.com)

    蒋 东(1982−),男,江苏人,高工,博士,主要从事爆炸与冲击动力学研究(E-mail: jiangd@ustc.edu.cn)

    肖凯涛(1963−), 男,湖南人,正高工,博士,主要从事特种装备毁伤效应评估和材料性能评价测试研究(E-mail: newworId_kt@126.com)

    李 平(1985−),女,山东人,讲师,博士,主要从事冲击动力学和材料动态性能研究(E-mail: 20150009@ahut.edu.cn)

    通讯作者: 黄瑞源(1984−),男,福建人,讲师,博士,主要从事冲击动力学研究(E-mail: ryhuang@njust.edu.cn)

RESEARCH ON DYNAMIC SPLITTING-TENSILE PROPERTIES OF CONCRETES WITH DIFFERENT STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE

  • 摘要: 采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和加温装置,在不同温度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下对3种不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,得到了温度和应力率耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度及相应的破坏形态。实验结果表明,混凝土材料的动态劈裂强度随应力率的增加而增加,且应力率相近时,其动态劈裂强度随温度的增加而明显降低。在此基础上给出了描述混凝土材料在不同温度下的动态劈裂强度与应力率关系的表达式,并确定了相关材料参数。通过对不同应力率和温度耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度进行横向对比,发现混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是其动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。
  • 图  1  SHPB实验装置及示意图

    Figure  1.  Experimental device and schematic of SHPB

    图  2  SHPB实验中试件的夹持状态

    Figure  2.  Clamping state of specimen in SHPB experiment

    图  3  SHPB实验脉冲波形

    Figure  3.  Pulse waveform of SHPB experiment

    图  4  试件中心的$ {\sigma }_{{{\rm t}}}({{t}})$曲线

    Figure  4.  $ {\sigma }_{{{\rm t}}}({{t}})$ curves in the center of specimen

    图  5  不同强度混凝土动态劈裂强度与应力率的关系

    Figure  5.  Relationship between dynamic splitting strength and stress rate of different strength concrete

    图  6  材料参数与温度间的关系

    Figure  6.  Relationship between material parameters and temperature

    图  7  实验值与式(4)计算结果的对比

    Figure  7.  Comparison of experimental values and calculation results of formula (4)

    图  8  ${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系曲线

    Figure  8.  ${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$ curves

    图  9  不同温度下的K

    Figure  9.  Values of K at different temperatures

    图  10  不同强度混凝土的动态劈裂破坏形态

    Figure  10.  Dynamic splitting failure morphology of concrete with different strength

    图  11  不同强度混凝土材料的K1

    Figure  11.  K1 of concrete with different strength

    图  12  混凝土试件在不同应力率下的动态劈裂破坏形态

    Figure  12.  Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different stress rate

    图  13  不同强度混凝土材料的K2

    Figure  13.  K2 of concrete with different strength

    图  14  混凝土试件在不同温度下的动态劈裂破坏形态

    Figure  14.  Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different temperatures

    图  15  温度和应力率耦合作用下混凝土的动态劈裂强度

    Figure  15.  Dynamic splitting strength of concrete under the coupling effect of temperature and stress rate

    表  1  C20、C45和C70混凝土试件配合比

    Table  1.   Mixture ratio of C20, C45 and C70 concrete specimen

    试件类型石子/(kg·m−3)砂/(kg·m−3)水/(kg·m−3)水泥/(kg·m−3)水灰比减水剂/(kg·m−3)28 d抗压强度标准值/MPa
    C2011007252053500.5867.523.05
    C459509001735000.34612.546.20
    C7011506001506000.25016.070.06
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    表  2  动态劈裂实验结果

    Table  2.   Dynamic splitting test results

    试件温度T /(℃)编号应力率${\dot \sigma _{\rm{d}}}$/(MPa·s−1)劈裂强度${f_{\rm{d}}}$ /MPa
    C20 20 C20-1 54.25±1.31 2.74±0.05
    C20-2 80.17±2.76 4.70±0.13
    C20-3 136.61±2.89 8.73±0.11
    200 C20-4 107.00±2.72 3.21±0.05
    C20-5 164.29±2.64 6.16±0.28
    C20-6 426.30±3.77 11.35±0.30
    400 C20-7 256.20±1.49 3.56±0.05
    C20-8 325.80±2.55 4.87±0.12
    C20-9 399.43±3.47 5.47±0.13
    C45 20 C45-1 87.88±0.82 1.97±0.04
    C45-2 123.24±0.97 4.17±0.07
    C45-3 170.50±1.35 5.77±0.12
    C45-4 384.09±2.83 10.05±0.15
    200 C45-5 166.01±1.71 2.74±0.03
    C45-6 234.45±1.64 4.90±0.10
    C45-7 363.42±2.38 7.08±0.12
    C45-8 611.25±4.65 8.77±0.10
    400 C45-9 235.50±1.58 2.69±0.05
    C45-10 346.25±3.44 4.75±0.11
    C45-11 394.43±3.79 5.27±0.13
    C70 20 C70-1 86.91±0.72 5.27±0.04
    C70-2 94.13±0.90 5.72±0.09
    C70-3 204.40±1.59 8.64±0.17
    C70-4 364.60±2.83 10.15±0.20
    200 C70-5 81.00±0.46 2.86±0.04
    C70-6 227.46±1.54 6.34±0.07
    C70-7 373.65±3.02 7.90±0.16
    400 C70-8 144.22±2.11 2.43±0.05
    C70-9 288.00±2.47 4.62±0.05
    C70-10 484.91±4.08 6.32±0.14
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    表  3  材料参数

    Table  3.   Material parameters

    试件类型温度T /(℃)材料参数A材料参数t材料参数y0
    C2020−21.32159.5017.82
    200−20.15135.6812.26
    400−18.97113.055.79
    C4520−16.48156.3511.45
    200−15.86187.889.38
    400−13.74220.097.26
    C7020−10.97121.3710.69
    200−9.83184.079.19
    400−9.88258.517.98
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    表  4  系数拟合结果

    Table  4.   Coefficients fitting results

    材料参数试件类型拟合系数a拟合系数b
    y0C20−3.17×10−2 18.50
    C45−1.10×10−211.64
    C70−0.71×10−210.76
    AC20 6.17×10−3−21.42
    C45 7.27×10−3−16.86
    C70 2.81×10−3−10.81
    tC20−0.12161.30
    C450.17153.46
    C700.36113.36
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-20
  • 修回日期:  2020-09-22
  • 网络出版日期:  2021-02-03
  • 刊出日期:  2021-02-03

不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11802001,11402266,11772160);装备预研基金项目(61426040403162604005,614260404021801);中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心开放基金项目(20200203)
    作者简介:

    孟 龙(1995−),男,山西人,硕士生,主要从事混凝土动态力学性能研究(E-mail: 18205177651@163.com)

    蒋 东(1982−),男,江苏人,高工,博士,主要从事爆炸与冲击动力学研究(E-mail: jiangd@ustc.edu.cn)

    肖凯涛(1963−), 男,湖南人,正高工,博士,主要从事特种装备毁伤效应评估和材料性能评价测试研究(E-mail: newworId_kt@126.com)

    李 平(1985−),女,山东人,讲师,博士,主要从事冲击动力学和材料动态性能研究(E-mail: 20150009@ahut.edu.cn)

    通讯作者: 黄瑞源(1984−),男,福建人,讲师,博士,主要从事冲击动力学研究(E-mail: ryhuang@njust.edu.cn)

摘要: 采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和加温装置,在不同温度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下对3种不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,得到了温度和应力率耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度及相应的破坏形态。实验结果表明,混凝土材料的动态劈裂强度随应力率的增加而增加,且应力率相近时,其动态劈裂强度随温度的增加而明显降低。在此基础上给出了描述混凝土材料在不同温度下的动态劈裂强度与应力率关系的表达式,并确定了相关材料参数。通过对不同应力率和温度耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度进行横向对比,发现混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是其动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。

English Abstract

孟龙, 黄瑞源, 蒋东, 肖凯涛, 李平. 不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究[J]. 工程力学, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
引用本文: 孟龙, 黄瑞源, 蒋东, 肖凯涛, 李平. 不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究[J]. 工程力学, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
Long MENG, Rui-yuan HUANG, Dong JIANG, Kai-tao XIAO, Ping LI. RESEARCH ON DYNAMIC SPLITTING-TENSILE PROPERTIES OF CONCRETES WITH DIFFERENT STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
Citation: Long MENG, Rui-yuan HUANG, Dong JIANG, Kai-tao XIAO, Ping LI. RESEARCH ON DYNAMIC SPLITTING-TENSILE PROPERTIES OF CONCRETES WITH DIFFERENT STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(3): 202-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0310
  • 近年,由于火灾、爆炸、恐怖袭击的频繁发生,建筑物的耐火性能和抗爆性能受到越来越多的关注[1-5]。在城市环境中,火灾通常伴随偶然性爆炸同时发生,混凝土作为主要的建筑材料,在高温作用下会产生不同程度的损伤劣化[6-9],其承载能力缓慢下降,此时混凝土的抗爆性能与常温情况下有较大的不同[10-12]。由于混凝土是一种拉压不对称的材料,抗拉强度较低,混凝土结构的破坏往往与其抗拉性能有关[13]。因此,探究高温和冲击荷载耦合作用下混凝土材料的拉伸力学性能具有重要的工程和科学意义。

    目前国内外对于混凝土材料动态拉伸力学性能的研究主要集中在常温情况下,而对高温下混凝土材料动态拉伸力学性能的研究较少[14-18]。石高扬等[19]对C75混凝土进行了一系列动态劈裂实验,对不同弹速下试件的劈裂强度和破坏形态进行了统计和研究。巫绪涛等[20]利用SHPB(分离式霍普金森压杆)装置对多种体积含量的EPS(聚苯乙烯)混凝土试件进行了动态劈裂实验,提出了描述EPS混凝土劈裂强度和应力率关系的经验公式。Guo等[21]对3种不同抗压强度的高强混凝土进行了动态劈裂实验,发现其抗拉强度均随应变率的增加而增加,表现出明显的应变率增强效应。而温度对混凝土材料动态劈拉性能的影响一般是探究高温后混凝土材料动态力学性能的变化,Huo等[22]将普通混凝土加热至700 ℃的高温后,测量了其动态抗压强度和应力-应变关系曲线,结果表明高温和应变率对其抗压强度的动态增长因子有显著影响。然而,对混凝土材料在高温和冲击荷载耦合作用下拉伸力学性能的研究相对较少,而对于不同强度的混凝土,其动态劈裂强度随温度和加载速率的变化规律是否一致,并且随着温度的升高,混凝土抗拉强度的加载速率(应力率)敏感性如何变化等,依旧存在疑问。

    为探究不同强度的混凝土在温度效应和率效应耦合作用下的拉伸力学性能,本文对3种不同强度的混凝土进行了不同温度下的动态劈裂实验,统计不同工况下混凝土材料的动态劈裂强度及破坏形态,分析试件强度、温度、应力率等因素对其动态劈裂强度及破坏形态的影响及规律。

    • 本文中试件材料为3种不同强度混凝土,利用设计模具浇筑,尺寸为${\text{ϕ}} $70 mm×35 mm。原材料为:张家港海螺水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料为张家港市的瓜子片,最大骨料粒径为16 mm,颗粒级配为连续级配;细骨料为细度模数为2.39的中砂;饮用自来水;安徽省法尔胜科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂。其材料配合比如表1所示。试件养护过程符合工程要求,并利用磨床对两端面进行研磨,其不平行度在0.02 mm以内,试件最终长径误差在±0.02 mm以内。试件制备前,3种混凝土材料的立方体抗压强度设计值分别为25 MPa、48 MPa和80 MPa,混凝土浇筑养护完成后,用标准实验方法对边长为150 mm的立方体试件进行了多次抗压强度测试,得到了3种试件的立方体抗压强度标准值,分别为23.05 MPa、46.20 MPa和70.06 MPa,并将其强度等级命名为C20、C45和C70。

      表 1  C20、C45和C70混凝土试件配合比

      Table 1.  Mixture ratio of C20, C45 and C70 concrete specimen

      试件类型石子/(kg·m−3)砂/(kg·m−3)水/(kg·m−3)水泥/(kg·m−3)水灰比减水剂/(kg·m−3)28 d抗压强度标准值/MPa
      C2011007252053500.5867.523.05
      C459509001735000.34612.546.20
      C7011506001506000.25016.070.06
    • 动态劈裂实验是在${\text{ϕ}} $74 mm SHPB(分离式霍普金森压杆)装置上完成,实验装置及示意图如图1所示。目前利用SHPB进行材料高温动态力学性能测试的方法主要有2种[23-25]:1)对局部压杆和试件共同加热,但会导致部分入射杆和透射杆上形成温度梯度,因此在数据处理时需要对温度梯度进行修正;2)只对试件进行加热,实验前需快速将试件安装在系统中,无须对温度梯度进行修正。本文选择第2种方法对3种不同强度混凝土试件进行SHPB高温实验,实验时现场室温为20 ℃,采用升温速度为8 ℃/min的高温炉将试件分别升温至200 ℃和400 ℃。其中,温控系统采用间接测量法,即使用铠装热电偶,将其探头置于试件附近,并在加温系统中增设一个反馈系统,利用调节仪对加温进行控制,当温度达到预设值时停止加热,而当温度低于预设值时则重新加热。当加热至预设温度并维持一段时间后,炉内温度达到稳定状态,将试件恒温加热2 h后立即进行动态劈裂实验。

      图  1  SHPB实验装置及示意图

      Figure 1.  Experimental device and schematic of SHPB

      实验中,将试件平行于地面放置于入射杆和透射杆之间,并手动将入射杆和透射杆靠拢,使得试件依靠摩擦力可以较为稳定地固定在两杆的中心处,如图2所示。图3给出了SHPB实验中实测的脉冲波形,试件两端受力$F({{{t}}})$可由压杆应变计记录的入射波${\varepsilon _{\rm{i}}}(t)$、反射波${\varepsilon _{\rm{r}}}(t)$和透射波${\varepsilon _{{\rm{t}}}}(t)$计算得到[19]

      $$F(t) = \frac{{{\rm{\pi }}{D^2}}}{8}E\left[ {{\varepsilon _{\rm{i}}}(t) + {\varepsilon _{\rm{r}}}(t) + {\varepsilon _{{\rm{t}}}}(t)} \right]$$ (1)

      式中:D为压杆直径;E为压杆材料的弹性模量。

      图  2  SHPB实验中试件的夹持状态

      Figure 2.  Clamping state of specimen in SHPB experiment

      图  3  SHPB实验脉冲波形

      Figure 3.  Pulse waveform of SHPB experiment

      混凝土的动态劈裂应力可利用弹性力学半无限体集中力作用下的一点应力公式求解,即圆盘在一对大小相等、过圆心的集中力作用下,圆心会产生垂直于该集中力的拉应力,在足够大的拉应力作用下,试件就会出现中心开裂破坏[13]。故试件中心的拉应力$ {\sigma }_{{\rm{t}}}(t)$为:

      $${\sigma _{{\rm{t}}}}\left( t \right) = \frac{{2F(t)}}{{{\rm{\pi }}dh}}$$ (2)

      式中:d为试件直径;h为试件高度。则$ {\sigma }_{{\rm{t}}}(t)$的最大值即为试件的动态劈裂强度${f_{\rm{d}}}$

      对于应力率的确定,一般动态劈裂实验采用的是平均应力率法[20],即${f_{\rm{d}}}$除以$ {\sigma }_{{\rm{t}}}({{t}})$曲线上升段至峰值处的时间得到。由式(2)计算得到的某试件中心的$ {\sigma }_{{\rm{t}}}(t)$曲线如图4所示。从图4中可以看出$ {\sigma }_{{\rm{t}}}(t)$曲线的初始、峰值阶段约占整体劈裂强度的35%,但占据整个上升段近60%的时间,因此平均应力率不能代表实验的主要阶段。注意到大多数$ {\sigma }_{{\rm{t}}}(t)$曲线上升段存在较长的直线段(图4中的AB),用此段的斜率作为实验应力率能够较为客观地反映实验的主要阶段,故采用切线应力率法。

      图  4  试件中心的$ {\sigma }_{{{\rm t}}}({{t}})$曲线

      Figure 4.  $ {\sigma }_{{{\rm t}}}({{t}})$ curves in the center of specimen

    • 本实验测试得到了3种不同强度混凝土材料在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的动态劈裂拉伸应力时程曲线。其中,在同一温度下对同种试件进行3次~4次实验,并通过改变子弹初速调整应力率的大小,具体实验结果如表2所示。

      表 2  动态劈裂实验结果

      Table 2.  Dynamic splitting test results

      试件温度T /(℃)编号应力率${\dot \sigma _{\rm{d}}}$/(MPa·s−1)劈裂强度${f_{\rm{d}}}$ /MPa
      C20 20 C20-1 54.25±1.31 2.74±0.05
      C20-2 80.17±2.76 4.70±0.13
      C20-3 136.61±2.89 8.73±0.11
      200 C20-4 107.00±2.72 3.21±0.05
      C20-5 164.29±2.64 6.16±0.28
      C20-6 426.30±3.77 11.35±0.30
      400 C20-7 256.20±1.49 3.56±0.05
      C20-8 325.80±2.55 4.87±0.12
      C20-9 399.43±3.47 5.47±0.13
      C45 20 C45-1 87.88±0.82 1.97±0.04
      C45-2 123.24±0.97 4.17±0.07
      C45-3 170.50±1.35 5.77±0.12
      C45-4 384.09±2.83 10.05±0.15
      200 C45-5 166.01±1.71 2.74±0.03
      C45-6 234.45±1.64 4.90±0.10
      C45-7 363.42±2.38 7.08±0.12
      C45-8 611.25±4.65 8.77±0.10
      400 C45-9 235.50±1.58 2.69±0.05
      C45-10 346.25±3.44 4.75±0.11
      C45-11 394.43±3.79 5.27±0.13
      C70 20 C70-1 86.91±0.72 5.27±0.04
      C70-2 94.13±0.90 5.72±0.09
      C70-3 204.40±1.59 8.64±0.17
      C70-4 364.60±2.83 10.15±0.20
      200 C70-5 81.00±0.46 2.86±0.04
      C70-6 227.46±1.54 6.34±0.07
      C70-7 373.65±3.02 7.90±0.16
      400 C70-8 144.22±2.11 2.43±0.05
      C70-9 288.00±2.47 4.62±0.05
      C70-10 484.91±4.08 6.32±0.14
    • 图5给出了3种不同强度混凝土材料分别在20 ℃、200 ℃和400 ℃下其动态劈裂强度与应力率之间的关系。从图5中可以看出,对于某一强度的混凝土,其动态劈裂强度${f_{\rm{d}}}$随应力率${\dot \sigma _{\rm{d}}}$的增加而增加,并且随着${\dot \sigma _{\rm{d}}}$的增加,${f_{\rm{d}}}$的增加幅度逐渐减小。当应力率大致相同时,动态劈裂强度${f_{\rm{d}}}$随温度$T$的升高而降低,表现出一定的温度软化(退化)效应。同时,从图5中可以看出${f_{\rm{d}}}$${\dot \sigma _{\rm{d}}}$之间大致呈指数函数关系,因此本文使用式(3)对${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系进行拟合,拟合曲线见图5。发现拟合曲线与实验结果基本重合,证明了此方程形式的准确性。其中,各材料参数拟合结果详见表3

      表 3  材料参数

      Table 3.  Material parameters

      试件类型温度T /(℃)材料参数A材料参数t材料参数y0
      C2020−21.32159.5017.82
      200−20.15135.6812.26
      400−18.97113.055.79
      C4520−16.48156.3511.45
      200−15.86187.889.38
      400−13.74220.097.26
      C7020−10.97121.3710.69
      200−9.83184.079.19
      400−9.88258.517.98

      图  5  不同强度混凝土动态劈裂强度与应力率的关系

      Figure 5.  Relationship between dynamic splitting strength and stress rate of different strength concrete

      $${f_{\rm{d}}} = {\rm{ }}A \cdot {{\rm{e}}^{ - \frac{{{{\dot \sigma }_{\rm{d}}}}}{t}}}{\rm{ + }}{y_0}$$ (3)

      式中,At$ {{y}}_{0}$为材料参数。

      图6给出了拟合方程中各材料参数与温度之间的关系。从图6中可以看出,材料参数Aty0与温度$T$之间呈线性关系。因而采用Aty0=aT+b的形式对各材料参数与温度间的关系进行线性拟合,各系数拟合结果如表4所示。

      表 4  系数拟合结果

      Table 4.  Coefficients fitting results

      材料参数试件类型拟合系数a拟合系数b
      y0C20−3.17×10−2 18.50
      C45−1.10×10−211.64
      C70−0.71×10−210.76
      AC20 6.17×10−3−21.42
      C45 7.27×10−3−16.86
      C70 2.81×10−3−10.81
      tC20−0.12161.30
      C450.17153.46
      C700.36113.36

      图  6  材料参数与温度间的关系

      Figure 6.  Relationship between material parameters and temperature

      结合以上研究,本文给出了描述C20、C45和C70混凝土材料在不同温度且应力率在100 MPa/s~650 MPa/s时其动态劈裂强度${f_{\rm{d}}}$与应力率${\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系的经验公式:

      $$ \begin{split}& {\rm{C}}20:\\ &{f_{\rm{d}}} = (6.17 \times {10^{ - 3}}{\rm{ }}T - 21.42{\rm{)}} \cdot {{\rm{e}}^{\frac{{{\rm{ - }}{{\dot \sigma }_{\rm{d}}}}}{{ - 0.12T + 161.30}}}}{\rm{ }} -\\&\qquad 3.17 \times {10^{ - 2}}T + 18.50 \\& {\rm{C}}45:\\&{f_{\rm{d}}} = (7.27 \times {10^{ - 3}}{\rm{ }}T - 16.86{\rm{)}} \cdot {{\rm{e}}^{\frac{{{\rm{ - }}{{\dot \sigma }_{\rm{d}}}}}{{0.17{\rm{ }}T + 153.46}}}}{\rm{ }} -\\&\qquad 1.10 \times {10^{ - 2}}T + 11.64 \\& {\rm{C}}70:\\&{f_{\rm{d}}} = (2.81 \times {10^{ - 3}}{\rm{ }}T - 10.81{\rm{)}} \cdot {{\rm{e}}^{\frac{{{\rm{ - }}{{\dot \sigma }_{\rm{d}}}}}{{0.36T + 113.36}}}}{\rm{ }} -\\& \qquad0.71 \times {10^{ - 2}}T + 10.76 \end{split} $$ (4)

      利用式(4)计算得到3种强度混凝土材料在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系曲线,如图7所示。对比实验测得的动态劈裂强度可以发现,本文所提${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系的经验公式在不同温度下对于3种不同强度的混凝土材料均取得了良好的拟合效果,证明了此经验公式及其参数的合理性和准确性。

      图  7  实验值与式(4)计算结果的对比

      Figure 7.  Comparison of experimental values and calculation results of formula (4)

    • 表2中实验结果可知,不同强度的混凝土试件在不同温度和应力率下的动态劈裂强度均有所不同。为探究试件强度、应力率和温度对混凝土材料动态劈裂的影响,使用式(4)重现出3种不同强度混凝土试件在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系曲线,并挑选出应力率为200 MPa/s、300 MPa/s、400 MPa/s、500 MPa/s和600 MPa/s时的动态劈裂强度,如图8所示。

      图  8  ${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系曲线

      Figure 8.  ${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$ curves

    • 图8可以发现,不同强度的混凝土试件在相同温度且相同应力率下的动态劈裂强度有所不同。为了更直观地对比试件强度对混凝土动态劈裂强度的影响,将图8中各工况下C20混凝土试件的动态劈裂强度设为基准劈裂强度,用$f_{\rm{d}}^{\rm{e}}$来表示,并使用相同工况下不同强度混凝土的动态劈裂强度与基准劈裂强度的比值${{K{\rm{ = }}{f_{\rm{d}}}} / {f_{\rm{d}}^{\rm{e}}}}$表征试件强度变化对其动态劈裂强度的影响,分析不同温度及应力率下混凝土材料动态劈裂强度随试件强度变化的规律。

      不同温度及应力率下的K值如图9所示。从图9可以看出,混凝土材料的动态劈裂强度对试件强度较为敏感。当试件温度为20 ℃时,相较于C20混凝土,C45和C70混凝土在相同应力率下的动态劈裂强度明显降低,约为C20混凝土的60%,当应力率小于400 MPa/s时,C70混凝土的动态劈裂强度略高于C45混凝土,而当应力率大于400 MPa/s时,C70混凝土的动态劈裂强度略低于C45混凝土;当试件温度提升至200 ℃时,C45和C70混凝土在相同应力率下的动态劈裂强度同样小于C20混凝土,但约为C20混凝土动态劈裂强度的70%;当试件温度为400 ℃且应力率低于470 MPa/s时,C45混凝土的动态劈裂强度最低,C70混凝土的动态劈裂强度最高,当应力率大于470 MPa/s时,C70混凝土的动态劈裂强度依旧最高,但C45混凝土的动态劈裂强度却高于C20混凝土。由于3种强度试件的配合比不同,其砂率和水灰比等特征值的大小也有所不同,而砂率和水灰比等对混凝土的劈拉性能有一定影响,因此对于图9中不同温度下K值的变化表现出一定的无序性。但是从整体来看,随着应力率的增加,试件强度的变化对其动态劈裂强度的影响逐渐减小,配合比的不同对其动态劈裂强度的影响逐渐削弱。

      图  9  不同温度下的K

      Figure 9.  Values of K at different temperatures

      图10展示了SHPB实验中3种不同强度混凝土试件在400 ℃且应力率约为250 MPa/s时的破坏形态,其中试件左侧为入射杆方向,右侧为透射杆方向。一般将中心起裂后沿垂直于加载直径方向扩展的裂纹称为主裂纹,把其他部位起裂和扩展的裂纹称为次生裂纹。如果试件的初始破坏形态主要由主裂纹引起,认为实验有效,反之则实验无效[14]。从图10可以看到试件上有一条沿撞击方向的主裂纹,同时在裂缝两端出现三角形的破坏区域,且入射杆方向三角形区域的破坏程度大于透射杆方向。对比3种不同强度的混凝土试件可以发现,相较于C20和C45混凝土,C70混凝土试件的主裂纹宽度最小,同时其三角形破坏区域沿直径方向的深度小于C20和C45混凝土试件。C45混凝土试件的主裂纹宽度最大,其入射杆和透射杆方向的三角形破坏区域贯穿整个试件,形成一条巨大的裂缝。

      图  10  不同强度混凝土的动态劈裂破坏形态

      Figure 10.  Dynamic splitting failure morphology of concrete with different strength

      图10中试件的破坏形态随试件强度变化的规律与图9(c)K值的变化相吻合,验证了混凝土试件强度对其动态劈裂强度的影响,同时也证明了本文给出的${f_{\rm{d}}} - {\dot \sigma _{\rm{d}}}$关系表达式的准确性。

    • 图8可以发现,3种强度的混凝土试件在同一温度下的动态劈裂强度均会随着应力率增加而增加。为了更明显地对比应力率对动态劈裂强度的影响,将图8中应力率为200 MPa/s时3种不同强度混凝土试件的动态劈裂强度设为基准应力率劈裂强度,用$f_{\rm{d}}^{{\rm{e}}1}$来表示,并使用同种混凝土试件在同一温度且不同应力率下的动态劈裂强度与基准应力率劈裂强度的比值${{{K_1}{\rm{ = }}{f_{\rm{d}}}} / {f_{\rm{d}}^{{\rm{e}}1}}}$来表征应力率对混凝土材料动态劈裂强度的影响,分析不同强度混凝土在不同温度下其动态劈裂强度随应力率变化的规律。

      3种不同强度混凝土在不同温度下K1值随应力率的变化如图11所示,可以看出,混凝土材料的动态劈裂强度对应力率较为敏感。3种强度的混凝土的动态劈裂强度均随着应力率的增加而增加,并且随着温度的增加其应力率敏感性逐渐升高。对比3种强度混凝土在同一温度下的K1值可以发现,C45混凝土的动态劈裂强度的应力率敏感性高于C20和C70混凝土。

      图  11  不同强度混凝土材料的K1

      Figure 11.  K1 of concrete with different strength

      图12展示了温度为20 ℃时C45混凝土试件在不同应力率下的破坏形态(试件左侧为入射杆方向,右侧为透射杆方向),其中图12(a)图12(b)图12(c)所对应的应力率分别为87.88 MPa/s、123.24 MPa/s和170.5 MPa/s。当应力率较低时,试件破坏时主裂纹贯穿试件但裂纹宽度较小,两端出现较小的三角形破坏区域,同时入射杆方向三角形区域的开口宽度和深度大于透射杆方向。当应力率为123.24 MPa/s时,主裂纹的裂缝宽度较大,试件两端三角形破坏区域的开口宽度、沿直径和厚度方向的开口深度也随之增加,同时三角形区域有较大体积的混凝土剥落。当应力率为170.5 MPa/s时,主裂纹宽度继续增加,三角形区域沿直径方向的深度几乎扩展至整个直径,沿厚度方向的深度同样扩展至整个厚度,同时剥落的混凝土块体积较小。因此,在相同温度下随着应力率的增加,试件劈裂破坏时的主裂纹宽度逐渐增加,三角形破坏区域的开口宽度、沿直径和厚度方向的开口深度也随之增加,脱落的混凝土块体积逐渐减小(破碎程度增加)。

      图  12  混凝土试件在不同应力率下的动态劈裂破坏形态

      Figure 12.  Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different stress rate

    • 图8可以发现,同一强度的混凝土试件在相同应力率下的动态劈裂强度会随着温度升高而减小。为了更明显地对比温度对动态劈裂强度的影响,将图8中20 ℃下3种混凝土试件的动态劈裂强度设为基准温度劈裂强度,用$f_{\rm{d}}^{{\rm{e}}2}$来表示,并使用同种混凝土试件在同一应力率且不同温度下的动态劈裂强度与基准温度劈裂强度的比值${{{K_2}{\rm{ = }}{f_{\rm{d}}}} / {f_{\rm{d}}^{{\rm{e}}2}}}$来表征温度对混凝土材料动态劈裂强度的影响,分析不同强度混凝土在不同应力率下其动态劈裂强度随温度变化的规律。

      3种不同强度混凝土在不同应力率下K2值随温度的变化如图13所示。从图13可以看出,混凝土材料的动态劈裂强度对温度较为敏感。3种强度混凝土的动态劈裂强度均随着温度的增加而明显降低,其中C20混凝土的温度敏感性最高,当温度提升至400 ℃时,其动态劈裂强度下降至常温时的20%~35%,并且随着试件强度的增加其温度敏感性逐渐减低。对比3种强度混凝土在不同应力率下K2值的变化趋势可以发现,随着应力率的增加,混凝土材料的温度敏感性逐渐降低。

      图  13  不同强度混凝土材料的K2

      Figure 13.  K2 of concrete with different strength

      图14展示了应力率约为370 MPa/s时C45混凝土试件在不同温度下的破坏形态。其中图14(a)图14(b)图14(c)的试件温度分别为20 ℃、200 ℃、400 ℃(试件左侧为入射杆方向,右侧为透射杆方向)。在20 ℃下,试件沿撞击方向裂为两半,主裂纹平直且较细,次生裂纹较少。在入射杆和透射杆方向出现三角形破坏区域,但入射杆方向三角形区域混凝土未完全脱落。在200 ℃下,试件的主裂纹宽度较大,两端混凝土剥落严重,但剥落后的混凝土块较为完整。在400 ℃下,试件主裂纹宽度巨大,沿直径方向混凝土均有不同程度破坏,靠近入射杆和透射杆方向的混凝土破坏严重,且剥落后的混凝土块较小。因此,在相近应力率下,随着温度的升高,试件劈裂破坏时主裂纹宽度逐渐增加,同时入射杆和透射杆方向的三角形区域的破坏程度相应增加,剥落的混凝土块体积逐渐减小。

      图  14  混凝土试件在不同温度下的动态劈裂破坏形态

      Figure 14.  Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different temperatures

    • 在城市火灾中常伴随着偶然性爆炸,混凝土材料在失效时往往处于高温、高应力率的环境中,因此探究温度和应力率耦合作用下混凝土材料动态劈裂强度的变化规律至关重要。为了更加直观地对比温度与应力率耦合作用下3种不同强度混凝土的动态劈裂强度,将图8中C20、C45、C70混凝土分别在3种不同温度(20 ℃、200 ℃、400 ℃)及5种不同应力率(200 MPa/s、300 MPa/s、400 MPa/s、500 MPa/s、600 MPa/s)下的动态劈裂强度转化为三维柱状图,如图15所示。

      图  15  温度和应力率耦合作用下混凝土的动态劈裂强度

      Figure 15.  Dynamic splitting strength of concrete under the coupling effect of temperature and stress rate

      图15可以发现混凝土材料的动态劈裂强度表现出明显的应力率增强效应与温度软化效应,3种不同强度的混凝土试件均在温度为20 ℃、应力率为600 MP/s时动态劈裂强度最大,在温度为400 ℃且应力率为200 MP/s时动态劈裂强度最小。同时,随着温度的升高以及应力率的降低,C20混凝土动态劈裂强度的变化最大,C70混凝土动态劈裂强度的变化最小。相较于常温低应力率(20 ℃、200 MP/s),高温高应力率(400 ℃、600 MP/s)条件下3种强度混凝土的动态劈裂强度均有所降低,其中C20混凝土降低幅度最大,其次是C70混凝土,C45混凝土的动态劈裂强度变化最小。

    • 通过对不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料在不同温度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,探究高温和应力率耦合作用下材料动态劈裂强度的变化规律及相应的破坏形态,得出以下结论:

      (1) 随着温度的增加,混凝土材料在相近应力率条件下的动态劈裂强度逐渐降低,表现出明显的温度软化效应;但是在相同温度及相近应力率条件下,混凝土材料的动态劈裂强度并未随试件强度的增加呈现出规律性变化。

      (2) 混凝土材料在冲击荷载下,试件会沿径向开裂,主裂纹两端出现三角形破坏区域,且入射杆方向三角形区域的开口宽度和深度大于透射杆方向,同时,随着温度和应力率的增加,三角形破坏区域变大,主裂纹宽度也相应增加,剥落的混凝土块体积减小。

      (3) 基于实验数据,给出了适用于不同温度及应力率条件下混凝土材料的动态劈裂强度与应力率间关系的经验公式,为进一步探究高温下混凝土材料的动态本构关系研究提供参考和借鉴。

      (4) 混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是混凝土材料动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。

参考文献 (25)

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