随着现代化程度的升高，混凝土材料已被广泛应用于基础设施及国防设施的建造中^[1]，其中公路隧道发展迅速，最新的调查统计结果显示，我国公路隧道总里程已达26 784 km，相较于2001年，里程增长约37倍。由于隧道空间狭长封闭、通道出口有限，一旦发生火灾、爆炸、坍塌等突发事故，极易造成群死群伤的重大安全事件。火灾和爆炸产生的高温及冲击会对公路隧道中混凝土材料的力学性能造成严重影响^[2-3]，而在后续灭火作业中基本采用喷水的形式，因此，研究混凝土材料在热、水、力共同影响下的力学性能具有重要意义。

目前，在高温混凝土力学性能研究方面已取得了一定的成果。余志武等^[4]开展了不同强度混凝土的力学性能试验，发现高温作用后混凝土的结构构件和结构整体的抗力系数均会存在一定程度的降低，进而导致其力学性能发生较大改变；王孔藩等^[5]研究了不同骨料、不同强度的混凝土结构在火灾后的性能，并与常温下的混凝土进行了对比，发现当温度达到800 ℃时，混凝土的抗压强度下降到室温时的25%左右；Hager等^[6]开展了高温混凝土试验研究，发现高温使得混凝土性能劣化严重，内部损伤增大，耐久性及抗渗透性能下降。以上研究将温度作为变量，表明高温会对混凝土造成一定程度的损伤。

混凝土在经历高温后，不同的冷却方式对其力学性能也会产生不同的影响。吕天启等^[7]综合考虑了冷却和养护方式及静置时间等因素对高温后静置混凝土的力学性能的影响，并采用双曲线对应力-应变曲线的上升段进行拟合回归。郑钰涛等^[8]研究发现，伴随着温度的提升，喷水冷却试件的质量损失比自然冷却试件的质量损失小，杨氏模量、纵波波速、抗压强度均呈降低趋势，温度超过400 ℃后，喷水冷却试件各参数的降幅更大。王珍^[9]探究了消防射水与火灾共同作用下高性能混凝土建筑的坍塌机理，建立了高性能混凝土建筑火灾后的坍塌预测和评价方法。上述研究从质量损失率、杨氏模量、峰值应力等角度证明喷水冷却对高温混凝土的损伤比自然冷却更大。

混凝土受到高速冲击后，力学性能也会发生变化。王宇涛等^[10]对C30、C50等2种强度等级的混凝土开展了高温后动态冲击与静态抗压试验，发现混凝土在高温后动态破坏强度不断降低、峰值应变不断增大、应力-应变曲线趋于平缓，出现塑性流动现象且随温度升高愈加明显。Kou等^[11]为研究温度与应变率联合作用下混凝土在火和爆炸环境下的力学性能，设计了混凝土动态本构模型，并验证了该模型的可行性和准确性。Watstein^[12]研究了不同配合比的混凝土在高速加载下的力学性能，试验中最大加载应变率达10 m/s，结果表明，混凝土在动态加载下的强度和弹性模量都显著大于静力状态下。Huo等^[13]开展了高温后混凝土的霍普金森压杆冲击动态力学性能试验，结果表明，高温会导致混凝土在不同加载速率下的动态效应发生变化。以上研究大多考虑了高温与应变率联合作用下混凝土各力学指标的变化。

截至目前，相关研究主要集中于混凝土材料受单一或2种因素影响下的力学特性，缺少混凝土材料在热、水、力联合作用下的试验数据，而在实际工程中，高温混凝土在冷却后可能遭受诸如爆炸等各式各样的载荷作用，其动态力学性能会如何发生变化，能否继续满足工程安全要求，结论尚不明确。为了进一步明确高温混凝土经过不同方式冷却后在冲击载荷作用下的力学性能，本文中通过研究C30混凝土在不同温度（100、200、400、600 ℃）下，通过不同冷却方式（自然冷却、喷水冷却）冷却后，在霍普金森压杆不同加载速度下的应力-应变曲线、破碎特性、动态抗压强度、弹性模量及动态效应等参数，来探究加载速度（应变率）、加热温度及冷却方式3种变量对混凝土力学性能的影响。

1.   试　验

1.1   试件制备

本试验共制作105块圆柱形混凝土试件，试件原料包括水、水泥、砂、碎石和粉煤灰等，各组分配合比如表1所示。首先，混凝土坯在养护室中进行28 d龄期养护，养护温度控制在18～22 ℃，相对湿度控制在95%以上；然后，用取芯机取试样芯部，利用抛光机对试件进行打磨处理，并控制试样的长径比L/D为0.6 ^[14]，保证试样的尺寸误差不超过0.02 mm，两端面的不平行度和不垂直度不超过0.02 mm；最后，制成尺寸为$\varnothing$50 mm×30 mm的圆柱形混凝土试件，如图1所示。

表  1  混凝土配合比

Table  1.  Concrete mix ratio

水灰比	配合比/(kg·m−3)
	水泥	水	砂子	碎石	粉煤灰
0.34	521	179	765	1 311	62

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  1  圆柱形混凝土试件

Figure  1.  Cylindrical concrete specimens

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   试验设备

分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）试验装置可以有效测试材料的动态力学性能，本试验采用$\varnothing$74 mm的SHPB装置，其导杆系统包括撞击杆、入射杆、透射杆，长度分别为400、2 800和1 800 mm，杆材密度（ρ）为7 800 kg/m³，弹性模量（E）为210 GPa，杆中的波速（c₀）为5 750 m/s，波阻抗（Z）为4.07×10⁷ kg/(m·s)。试验通过控制系统发射装置内的气压来控制子弹加载速度，从而达到控制试件应变率的目的。试验前进行空杆试射并将误差调整在合理范围，装置示意图如图2所示。试验加热设备采用上海大恒光学精密机械有限公司生产的SXL-1700型高温箱式电炉，最高加热温度可达1 700 ℃，满足试验设计要求。

图  2  SHPB装置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   试验方法及原理

利用高温箱式电炉加热试样至指定温度，加热升温速率设定为5 ℃/min，将养护至规定龄期的圆柱形混凝土试件表面晾干后进行加热处理，为使试件内外均匀受热，在达到目标温度后恒温静置2 h，保证试件内部温度与表面温度一致，升温示意如图3所示。高温试验分为100、200、400、600 ℃共4种温度，为便于分析，未经历高温作用的常温试件温度定为20 ℃。在试验过程中，为了降低试样与试验杆端面的摩擦效应，在试样及弹性导杆的接触面涂抹凡士林。将圆柱形试样放在2根弹性导杆中间，当撞击杆撞击入射杆的一端时，会产生弹性压缩脉冲力，利用应变片收集入射杆中的入射信号波形${\varepsilon _{\rm{i}}}(t)$、反射信号波形${\varepsilon _{\rm{r}}}(t)$以及透射杆中的透射信号波形${\varepsilon _{\rm{t}}}(t)$，根据一维弹性波理论的二波法计算获得试件的应力${\sigma _{\rm{s}}}(t)$、应变$\varepsilon (t)$、应变率$\dot \varepsilon (t)$^[15]：

图  3  升温示意图

Figure  3.  Schematic diagram of temperature rise

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中：l_s为试件长度，A_s为试件横截面积，c₀为弹性导杆的纵波波速，A为弹性导杆的横截面积。

为了减小弥散效应带来的应力波振荡现象^[16]，保证试样在试验中的动应力平衡和常应变率加载，需要过滤加载波中由于碰撞冲击引起的高频分量，因此，采用入射波整形技术^[17]，在入射杆冲击端的中心处装置一个紫铜缓冲片，作为波形调整器，以过滤由高速碰撞产生的高频振荡，减小波的弥散现象，使试件中应力分布更加均匀^[18]。结果表明，其对脉冲波波形具有明显的改善作用，图4给出了加载速度为3.7和7.2 m/s时的常温混凝土脉冲波形曲线，由图4可知，入射波、反射波及透射波峰值均随着加载速度的升高而增大。

图  4  不同加载速度下的脉冲波形曲线

Figure  4.  Pulse waveform curves at different loading velocities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试件冷却方式：由于火灾现场一般采用喷水冷却方式，为保持水的流动性，本文中采用淋水冷却方式，根据文献[19]的试验研究及现场试件情况，将洒水冷却时间定为30 min，降温速率控制在35 ℃/min左右，试验表明，各温度混凝土试样外表面温度均在30 min内达到室温；自然冷却是高温后的试件在炉膛内自然冷却至室温。

2.   试验结果与分析

2.1   高温后混凝土微观结构分析

高温环境会对混凝土的骨料、水泥砂浆等内部材料造成热损伤，从而对其微观结构产生影响，并进一步影响其宏观性能。利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对不同温度下混凝土的微观结构进行拍摄，并对图像进行二值化处理。图5(a)给出了未受高温影响的混凝土试件的微观形貌，整体来看结构较完整，骨料与水泥浆体之间连结紧密，未出现分离现象。经历200 ℃高温作用后的混凝土试件的微观形貌如图5(b)所示，可以看出，未水化的水泥颗粒进一步水化，产生更多水化产物，结构整体更加紧密，在一定程度上提高了结构的完整性，与常温试件相比，Ca(OH)₂数量减少、体积变小，由于其强度小于凝胶与骨料的强度，因此，试件的宏观强度得到小幅提升。经历400 ℃高温作用后，水化产物中的结晶水分解，水泥浆体与未水化颗粒间的结合力减弱，C-S-H凝胶的网状结构开始破坏，出现大量裂缝，Ca(OH)₂大量减少，如图5(c)所示。经历600 ℃高温作用后的混凝土试件的微观形貌如图5(d)所示，可以看出，水泥基材料的水化产物更加疏松，孔状结构增多，骨料-水泥砂浆界面产生较大裂纹，大部分结晶水被分解，Ca(OH)₂遇热失水生成CaO，降温后与空气中的水汽生成Ca(OH)₂，使其内部膨胀，结构发生损伤，宏观上严重影响了试件的力学特性。

图  5  常温和高温处理混凝土的SEM微观形貌

Figure  5.  SEM microscopic morphology of concrete at room temperature and after high temperature

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   不同冷却方式下混凝土试样外观变化规律

高温混凝土试样经历不同冷却方式后的外观如图6所示。在经历100和200 ℃高温之后，试件水分蒸发较少，与常温试样无明显差别，水冷试件相比自然冷却试件颜色更暗。在经历400 ℃高温作用之后，自然冷却试件的颜色发生明显改变，并且由于混凝土内部水泥胶体与粗骨料的变形差不断扩大，导致试样出现开裂现象（裂纹用红色线条标记），随着水化物脱水，混凝土表面颗粒逐渐失去光泽；而水冷试件的颜色逐渐变为浅粉色，且比相同温度下自然冷却试样颜色更深，同时水冷试件也比自然冷却试件产生更多细裂纹。在经历600 ℃高温作用之后，自然冷却试件裂纹持续扩大并增多，颜色变为非常明显的浅粉色，边角产生了少量剥落情况，这是由于高温下混凝土内部的水分和Ca(OH)₂遇热分解，导致混凝土体积膨胀，初始尺寸改变，从而发生破坏；而水冷试件的开裂和剥落比自然冷却试件更加明显，这是由于试件在加热结束后温度极高，在水冷过程中，外表面温度骤减，而试件中心温度依然很高，试件表面与内部产生温度梯度，从而产生温度应力所致^[20]，具体情况如表2所示。

图  6  常温及高温冷却后混凝土的外观照片

Figure  6.  Photographs of the concrete at room temperature and after high temperature cooling

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  不同加热温度及冷却条件下混凝土试样外观对比

Table  2.  Comparison of the appearance of concrete samples under different heating temperatures and cooling conditions

温度/℃	自然冷却试样				水冷试样
	颜色	裂纹	剥落		颜色	裂纹	剥落
20	灰	无	无		灰	无	无
100	灰白	无	无		暗灰	无	无
200	灰白、黄	无	无		暗灰、黄	无	无
400	灰白、浅粉	细微裂纹	无		灰白、浅粉	明显裂纹	少量剥落
600	灰白、粉	明显裂纹	少量剥落		灰白、粉	明显裂纹	少量剥落

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3   静态力学性能试验结果分析

图7给出了静力试验实测得到的各温度下混凝土的应力-应变曲线，加载速度均设定为12 m/s，由图7可知，2种冷却方式下试件呈现相似的应力-应变曲线。随着温度升高，经过高温的持续损伤，混凝土强度下降，试样内部水蒸气蒸发形成孔隙，应力-应变曲线逐渐趋于平缓，即弹性模量随温度升高明显降低，峰点逐渐下移和右移。自然冷却试件相对于水冷试件峰值应力更大、弹塑性阶段斜率更高，弹性更好，这些现象都表明水冷会对混凝土试件造成一定程度的损伤。在加热温度低于400 ℃时，2种冷却方式下混凝土强度均变化不大，但自然冷却下混凝土应力-应变曲线的重合度明显高于水冷，此现象在峰后破坏阶段更明显。

图  7  不同温度和冷却方式下混凝土的静态应力-应变曲线

Figure  7.  Static stress-strain curves of concrete at different temperatures and cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从应力-应变曲线可以看出，混凝土试样在受到撞击时主要经历了4个阶段。

(1) 压密阶段（阶段Ⅰ），此过程极为短暂，在该阶段，混凝土试样受到冲击后，试件内部受到挤压出现微裂纹，随着应力的增加，出现非线性的变形，此时试件应力-应变曲线的斜率随着温度的升高加而减小，水冷试件相对于自然冷却试件斜率更低，韧性更差。

(2) 弹性变形阶段（阶段Ⅱ），此过程应力-应变曲线近似呈线性关系，混凝土试样为弹性变形，试样内部裂纹稳定扩展，水冷试件相对于自然冷却试件的斜率总体变大。

(3) 弹塑性变形阶段（阶段Ⅲ），此阶段应力-应变曲线斜率总体变小，出现了应变软化效应，混凝土试件发生塑性变形，应力-应变曲线的斜率仍随温度的升高而减小，相比于自然冷却试样，此阶段水冷试样斜率的变化更大，持续时间更长。

(4) 破坏阶段（阶段Ⅳ），此阶段应力峰值随着应变的增大不断下降，在混凝土达到极限载荷之后，试样失去承载能力，2种冷却方式下，试件均发生不同程度的破碎。

2.4   动态力学性能试验结果分析

2.4.1   温度、冷却方式及加载速度对混凝土破碎特性的影响

从动态力学性能试验后的混凝土破坏形态可以了解混凝土的力学性能，图8展示了2种冷却方式下不同温度、不同加载速度时混凝土试样的破碎形态，将破碎形态分为4个工况：低温低速工况，低温高速工况，高温低速工况，高温高速工况。由图8可知，2种冷却方式下，低温低速工况的混凝土碎块与常温碎块差别不大，且大多沿着骨料与水泥粘合处的裂缝产生破坏，骨料多数保存完整。随着温度的升高，2种冷却方式下，高温低速工况碎块的尺寸明显减小，骨料形态也随温度升高发生破坏，说明此时骨料的力学性能受高温影响，导致试件的动态抗压性能相比常温时下降显著；从加载速度层面看，2种冷却方式下，低温高速工况混凝土试样的破坏程度明显高于低温低速工况，并且出现了明显的应变率强化效应，骨料的形态从开始的完整到逐渐受压破坏，这一现象也导致混凝土试样峰值应力增加；对比自然冷却和水冷可知，水冷试样骨料发生破坏更早，相同温度和加载速度下，水冷过程中的混凝土表面会比自然冷却过程中产生更多的微裂纹，导致混凝土承载力降低，从而产生更多的小尺寸碎片。这说明，相比于自然冷却，水冷对混凝土造成的损伤更大。

图  8  不同温度、冷却方式和加载速度下混凝土的破碎特性

Figure  8.  Breaking characteristics of concrete at different temperatures, cooling methods, and loading velocity

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.2   不同冷却方式下加载速度及温度对混凝土应变率的影响

通过控制SHPB装置氮气瓶的阀门，可以调整炮管内的气压系统，从而调节撞击杆的速度，实现不同应变率的加载，但试验过程中很难实现恒应变率加载。本文中，通过在入射杆处粘贴波形整形器，达到近似恒应变率加载的效果，其中平均应变率取应变率首次达到峰值至试件达到最大应力之间的平均值，图9给出了SHPB系统测速装置测得的不同加载速度和不同冷却方式下经历不同温度后混凝土平均应变率的关系，并根据最小二乘法给出了拟合曲线。

图  9  不同冷却方式下加载速度与平均应变率的拟合曲线

Figure  9.  Fitting curves of loading velocity vs. average strain rate under different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图9可知，在相同加载速度下，相对于自然冷却，水冷时混凝土试样的平均应变率受温度影响更明显，尤其在加载速度为4 m/s时，水冷后不同加热温度下混凝土试样的应变率存在显著差异，说明水冷方式下混凝土试样应变率受温度影响更大。从图9还可以看出，2种冷却方式下，温度对于加载速度与平均应变率之间的线性相关性影响均较小。加载速度与平均应变率的线性拟合关系可以表示为：

式中：$\overline {\dot \varepsilon }$为平均应变率，v为加载速度，a、b为待拟合系数。

表3给出了加载速度与平均应变率的线性拟合参数，从表3可以看出，2种冷却方式下，拟合直线的决定系数（R²）大多高于0.97，说明2种冷却方式下加载速度与应变率之间存在良好的线性关系，通过改变加载速度能够较好地体现应变率的变化。

表  3  加载速度与平均应变率的线性拟合参数

Table  3.  Linear fitting parameters of loading velocity and average strain rate

工况	a	b	R2
20 ℃	9.17	12.08	0.972 63
100 ℃，自然冷却	5.65	12.31	0.971 85
100 ℃，水冷	17.93	9.25	0.992 31
200 ℃，自然冷却	3.15	14.04	0.982 53
200 ℃，水冷	28.36	9.83	0.953 02
400 ℃，自然冷却	−6.16	15.23	0.993 56
400 ℃，水冷	−2.14	11.29	0.969 76
600 ℃，自然冷却	7.62	12.56	0.982 44
600 ℃，水冷	24.91	10.06	0.974 02

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.4.3   不同冷却方式下高温混凝土的动态应力-应变曲线

图10给出了不同温度和不同冷却方式下混凝土的应力-应变随加载速度的变化情况。从图10可以看出，不同温度和不同冷却方式下，混凝土的应力-应变曲线在不同的加载速率下都保持了基本形状，但峰值应力和峰值应变存在一定的差异。与自然冷却相比，不同加载速度下水冷时混凝土在弹塑性变形阶段斜率更接近。2种冷却方式下，混凝土的峰值应力和峰值应变均随着加载速度的升高而增大，其中峰值应变的增长幅度大于峰值应力。同时，随着加载速度的升高，混凝土的韧性得到增强，且自然冷却时峰值应变相对值的增长幅度明显大于水冷情况下，其中在400和600 ℃时表现最明显。另外，水冷情况下，600 ℃时应力-应变曲线出现明显规律波动，其原因可能是各混凝土试样制备过程中的均匀性存在差异，从而导致应力出现波动。

图  10  不同温度和不同冷却方式下混凝土的动态应力-应变曲线

Figure  10.  Dynamic stress-strain curves of concrete at different temperatures and different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.4   冷却方式对抗压强度及弹性模量的影响

图11给出了2种冷却方式下不同温度混凝土试样的动态抗压强度，可以看出，其动态抗压强度均与加载速度成正比，与加热温度成反比。在自然冷却情况下，加载速度在4 m/s左右时，同组混凝土动态抗压强度的平均值从常温下的32.83 MPa降至600 ℃时的20.14 MPa，降幅为38.65%，低于水冷情况下的45.23%。在加载速度为8和12 m/s左右时，自然冷却混凝土的动态抗压强度降幅分别为24.07%和21.43%，水冷时的降幅则为45.23%和40.03%。可以看出，随着加载速度的升高，2种冷却方式下混凝土试样的动态抗压强度下降比例均降低。而在加载速度相同时，水冷混凝土的动态抗压强度下降比例低于自然冷却时，表明水冷方式下混凝土的动态抗压强度受温度变化的影响更大。这是由于高温混凝土遇水时形成内外温差，导致试样内部产生大量的收缩裂缝，从而对抗压强度产生影响，因此，水冷对混凝土试样造成的损伤程度显著大于自然冷却。不同冷却方式下混凝土由常温加热至600 ℃时动态抗压强度下降比例对比如图12所示。

图  11  不同冷却方式下混凝土的动态抗压强度曲线

Figure  11.  Dynamic compressive strength curves of concrete with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  12  不同冷却方式下混凝土由常温加热至600 ℃时动态抗压强度下降比例

Figure  12.  Proportion of dynamic compressive strength decrease of concrete heated from room temperature to 600 ℃ with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图13给出了不同温度和不同冷却方式下混凝土试样的弹性模量（对应温度下应力-应变曲线的 0.4倍峰值应力处的割线模量），从图13可以看出，由于高温造成损伤，2种冷却方式下混凝土试样的弹性模量均随加热温度升高而降低。随着加载速度的升高，不同工况下的混凝土试样的弹性模量呈现上升趋势。为更好地表述温度对弹性模量的影响，图14给出了不同冷却方式下混凝土试样的弹性模量损伤系数（E₀(T)/E₀）随温度的变化规律，由图14可知，在温度低于400 ℃时，弹性模量损伤系数稳定下降，超过400 ℃后则大幅下降，破坏也更加明显。经喷水冷却后，不同加载速度和不同温度下的弹性模量损伤系数均低于自然冷却时。

图  13  不同冷却方式下各温度混凝土的动态弹性模量

Figure  13.  Dynamic elastic modulus of concrete at different temperatures with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  14  不同冷却方式下各温度混凝土的弹性模量损伤系数

Figure  14.  Damage coefficient of elastic modulus of concrete at different temperatures with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.5   不同冷却方式下高温混凝土的动态峰值应变

混凝土材料的峰值应变是反映其承载能力的重要指标，对工程实际有重要的参考价值。峰值应变取同组试件峰值应变的算术平均值，建立高温混凝土峰值应变与常温混凝土峰值应变之比（ε₀(T)/ε₀）与温度、加载速度及冷却方式的关系，如图15所示。可以看出，随着温度升高，2种冷却方式下混凝土峰值应变相对值均呈明显上升趋势；相同温度下，加载速度越快，峰值应变相对值越低，且温度越高，加载速度对峰值应变相对值的影响越大；温度及加载速度相同的情况下，水冷时的峰值应变相对值高于自然冷却时，600 ℃时最明显。

图  15  不同冷却方式下各温度混凝土的峰值应变

Figure  15.  Peak strain of concrete at different temperatures with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.6   动载荷增加因子

通常用动载荷增加因子（dynamic increase factor，DIF），即动态强度与准静态强度之比，来描述混凝土强度的应变率效应。图16给出了不同冷却方式下各温度混凝土的准静态强度，图17给出了不同加载速度及冷却方式下高温混凝土动载荷增加因子与温度的关系。试验结果表明，高温对冲击载荷作用下混凝土的应变率效应存在显著影响，除200 ℃外，随着温度升高，混凝土的DIF明显增大；相同温度下，加载速度的升高带动了试件内部细裂纹的扩展，导致其抗外载荷能力增强，DIF也随之增大，且温度越高，混凝土的应变率效应越明显，说明高温对混凝土产生的损伤增强了混凝土的应变率效应；不同冷却方式下混凝土的动载荷增加因子曲线呈相似形状，其中在高温高加载速度工况下，自然冷却时混凝土的DIF明显高于水冷情况下。

图  16  不同冷却方式下各温度混凝土静态强度

Figure  16.  Static strength of concrete at different temperatures with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  17  温度、加载速度、冷却方式对DIF的影响

Figure  17.  Influence of temperature, loading velocity, and cooling method on DIF

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.7   耗能分析

高温混凝土在受载情况下吸收并消耗能量，发生形变直至破坏，其耗能规律的分析既能准确评估损伤，也能综合评价混凝土的韧性指标，为此，引入耗能系数W （W=S₀₁₂₃(T)/S₀₁₂₃，其中S₀₁₂₃(T)为经历高温的混凝土试件的应力-应变（$\sigma$-$\varepsilon$ ）曲线经过峰值后，取值为0.85$\sigma$(T)的点所做的垂线与x轴及原曲线围成的面积，S₀₁₂₃则为20 ℃时围成的面积，如图18所示）。

图  18  混凝土耗能计算示意图

Figure  18.  Schematic diagram of concrete energy consumption calculation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图19为不同冷却方式下不同加载速度的混凝土耗能系数随温度的变化曲线，由图19可知，不同冷却方式下高温混凝土的耗能系数随着温度升高总体呈下降趋势，且在同一温度下，加载速度越高，耗能系数越大，表明混凝土耗能能力与加载速度成正比，与加热温度成反比。其中2种冷却方式下混凝土耗能系数均在200 ℃时出现小幅反弹，自然冷却情况下，加载速度为4、8和11 m/s时耗能系数的增幅分别为3.85%、4.98%和4.79%；水冷时，相同加载速度下耗能系数的增幅分别为2.53%、2.17%和3.37%。出现反弹现象是由于水泥颗粒在高温下产生水蒸气形成水化反应，使得混凝土内部水泥熟料在强度上得到正向增强，产生拮抗效应^[21-22]，结合微观图像，200 ℃时Ca(OH)₂的减少也会使试件的宏观强度小幅提升，而随着温度升高，熟料的减少导致拮抗效应降低，抗压强度也随之下降，自然冷却时的反弹增幅明显大于水冷时，原因可能是水冷破坏了混凝土的微观结构，对混凝土拮抗效应产生了影响。

图  19  不同冷却方式下高温混凝土的耗能系数

Figure  19.  Energy consumption coefficient of high-temperature concrete with different cooling methods

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结　论

通过对C30混凝土开展SHPB动态力学性能试验，研究了冷却方式、加热温度及加载速度3个变量对混凝土应变率、破碎特性、动态力学特性及动态效应等参数的影响，得到以下主要结论。

(1) 混凝土的外观变化、破碎特性与加载速度、温度及冷却方式密切相关。外观变化方面，400 ℃前后，试样颜色发生明显改变，并出现开裂现象，相同温度下，水冷试样比自然冷却颜色更深，出现更多细微裂纹。破坏形态方面，温度和加载速度越高，骨料形态破坏越严重。相同温度和加载速度情况下，水冷比自然冷却产生更多小尺寸碎片。

(2) 2种冷却方式下混凝土的静态应力-应变曲线峰值点均发生下移和右移，其中，在受热温度低于400 ℃时，自然冷却下混凝土的应力-应变曲线重合度明显高于水冷，在峰后破坏阶段表现更加明显。

(3) 相对于自然冷却，水冷时混凝土试样的平均应变率受温度的影响更显著。2种冷却方式下，加载速度与应变率之间均存在良好的线性关系，温度对于加载速度和平均应变率的线性相关性影响较小，通过改变加载速度能够较好地体现应变率的变化。

(4) 不同冷却方式下，混凝土的动态抗压强度和弹性模量均与加载速度成正比，与加热温度成反比。且水冷时抗压强度下降比例低于自然冷却，弹性模量损伤系数在400 ℃以后大幅下降。混凝土的峰值应变与加热温度成正比，与加载速度成反比，水冷时的峰值应变相对值高于自然冷却。

(5) 混凝土的DIF与温度及加载速度均成正比，且温度越高，应变率效应越明显。自然冷却下，混凝土的耗能系数在200 ℃时的回弹幅度大于水冷情况下。