不同冷却方式下高温混凝土的动态力学特性

吴栩霆 王振 周航 张国凯 李硕标

吴栩霆, 王振, 周航, 张国凯, 李硕标. 不同冷却方式下高温混凝土的动态力学特性[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0097
引用本文: 吴栩霆, 王振, 周航, 张国凯, 李硕标. 不同冷却方式下高温混凝土的动态力学特性[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0097
WU Xuting, WANG Zhen, ZHOU Hang, ZHANG Guokai, LI Shuobiao. Study on dynamic mechanical properties of high-temperature concrete with different cooling methods[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0097
Citation: WU Xuting, WANG Zhen, ZHOU Hang, ZHANG Guokai, LI Shuobiao. Study on dynamic mechanical properties of high-temperature concrete with different cooling methods[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0097

不同冷却方式下高温混凝土的动态力学特性

doi: 10.11883/bzycj-2024-0097
基金项目: 国家自然科学基金(52378401);国家重点研发计划(2021YFC3002000)
详细信息
    作者简介:

    吴栩霆(2000- ),男,硕士研究生,122101222047@njust.edu.cn

    通讯作者:

    王 振(1987- ),男,博士,副研究员,wangzhen2012@njust.edu.cn

  • 中图分类号: O347.3

Study on dynamic mechanical properties of high-temperature concrete with different cooling methods

  • 摘要: 混凝土材料被大量应用于基础设施及国防设施的建造中,为了研究高温混凝土在不同冷却方式下的动态力学特性,通过$\varnothing $74 mm大口径分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对不同冷却方式处理下不同温度的C30圆柱形混凝土试样进行动态力学性能试验,得到其在热、水、力联合作用下的力学特性。研究了冷却方式、温度和加载条件对平均应变率的影响,重点分析了高温混凝土在不同方式冷却后的动态应力-应变曲线以及冷却方式、温度及加载速率对其破碎形态、动态抗压强度、弹性模量、峰值应变及一系列动态效应的影响。结果表明:水冷时混凝土试样平均应变率受温度的影响更为明显,不同冷却方式下加载速度与平均应变率近似呈线性关系;当温度达到400 ℃及以上时,试样颜色发生明显改变,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,骨料形态破坏更严重;不同冷却方式下混凝土动态抗压强度均与加载速度呈正比,与加热温度呈反比;水冷时混凝土的弹性模量损伤系数低于自然冷却时;高温混凝土峰值应变与加热温度呈正比,与加载速度呈反比,且水冷时的峰值应变相对值要高于自然冷却时;混凝土DIF值与温度及加载速度均呈正比,且温度越高,混凝土的应变率效应越明显;当温度在200 ℃时,混凝土耗能系数出现反弹现象。
  • 图  1  圆柱形混凝土试件

    Figure  1.  Cylindrical concrete specimens

    图  2  SHPB装置示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar

    图  3  升温示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of temperature rise

    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

    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

    图  6  混凝土常温及高温冷却后的外观照片

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

    图  7  不同温度和不同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

    图  8  不同温度、冷却方式、加载速度下混凝土破碎特性

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

    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

    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

    图  11  不同冷却方式下各温度混凝土动态抗压强度曲线

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

    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

    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

    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

    图  15  不同冷却方式下各温度混凝土峰值应变

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

    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

    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

    图  18  混凝土耗能计算示意图

    Figure  18.  Schematic diagram of concrete energy consumption calculation

    图  19  不同冷却方式下高温混凝土耗能系数

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

    表  1  混凝土配合比

    Table  1.   Concrete mix ratio

    水灰比配合比/(kg·m−3)
    水泥砂子碎石粉煤灰
    0.345211797651 31162
    下载: 导出CSV

    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 水冷
    颜色 裂纹 剥落 颜色 裂纹 剥落
    20
    100 灰白 暗灰
    200 灰白、黄 暗灰、黄
    400 灰白、浅粉 细微裂纹 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

    表  3  加载速度与平均应变率线性拟合参数

    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
  • [1] 江见鲸, 冯乃谦. 混凝土力学 [M]: 北京: 中国铁道出版社, 1991.

    JIANG J J, FENG N Q. Concrete mechanics [M]: Beijing: China Railway Press, 1991.
    [2] JIN L, YU W X, DU X L, et al. Meso-scale modelling of the size effect on dynamic compressive failure of concrete under different strain rates [J]. International Journal of Impact Engineering, 2019, 125: 1–12. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2018.10.011.
    [3] 李圣童, 汪维, 梁仕发, 等. 长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应 [J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(7): 075103. DOI: 10.11883/bzycj-2021-0495.

    LI S T, WANG W, LIANG S F, et al. Dynamic response of beam-plate composite structure under blast shock wave load during long-term holding [J]. Explsion and Shock Waves, 2022, 42(7): 075103. DOI: 10.11883/bzycj-2021-0495.
    [4] 余志武, 丁发兴, 罗建平. 高温后不同类型混凝土力学性能试验研究 [J]. 安全与环境学报, 2005, 5(5): 1–6. DOI: 10.3969/j.issn.1009-6094.2005.05.001.

    YU Z W, DING F X, LUO J P. Experimental research on mechanical properties of different type of concrete after high temperature [J]. Journal of Safety and Environment, 2005, 5(5): 1–6. DOI: 10.3969/j.issn.1009-6094.2005.05.001.
    [5] 王孔藩, 许清风, 刘挺林. 高温下及高温冷却后混凝土力学性能的试验研究 [J]. 施工技术, 2005, 34(8): 1–3. DOI: 10.3969/j.issn.1002-8498.2005.08.001.

    WANG K F, XU Q F, LIU T L. Experimental research on mechanical performance of concrete under high temperature and cooled down from high temperature [J]. Construction Technology, 2005, 34(8): 1–3. DOI: 10.3969/j.issn.1002-8498.2005.08.001.
    [6] HAGER I, TRACZ T, NSKA M C, et al. Effect of cement type on the mechanical behavior and permeability of concrete subjected to high temperatures [J]. Materials, 2019, 12(18): 3021. DOI: 10.3390/ma12183021.
    [7] 吕天启, 赵国藩, 林志伸. 高温后静置混凝土力学性能试验研究 [J]. 建筑结构学报, 2004, 25(1): 63–70. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6869.2004.01.009.

    LÜ T Q, ZHAO G F, LIN Z S. Experimental study on mechanical properties of long standing concrete after exposure to high temperature [J]. Journal of Building Structures, 2004, 25(1): 63–70. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6869.2004.01.009.
    [8] 郑钰涛, 李玉成, 彭晨鑫. 高温后不同冷却方式对混凝土力学特性的影响 [J]. 水资源与水工程学报, 2019, 30(4): 189–194. DOI: 10.11705/j.issn.1672-643X.2019.04.30.

    ZHENG Y T, LI Y C, PENG C X. Effect of different cooling methods on mechanical properties of concrete after high temperature [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2019, 30(4): 189–194. DOI: 10.11705/j.issn.1672-643X.2019.04.30.
    [9] 王珍. 高性能混凝土建筑火灾烧损试验研究 [D]. 成都: 西南交通大学, 2011. DOI: 10.7666/d.y1957672.

    WANG Z. Experimental study on fire burning damage of high-performance concrete buildings [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2011. DOI: 10.7666/d.y1957672.
    [10] 王宇涛, 刘殿书, 李胜林, 等. 高温后混凝土静动态力学性能试验研究 [J]. 振动与冲击, 2014, 33(20): 16–19,39. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2014.20.004.

    WANG Y T, LIU D S, LI S L, et al. Experimental study on static and dynamic mechanical properties of concrete after high temperature [J]. Vibration and Shock, 2014, 33(20): 16–19,39. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2014.20.004.
    [11] KOU X, LI L, DU X, et al. Elastoplastic dynamic constitutive model of concrete with combined effects of temperature and strain rate [J]. Case Studies in Construction Materials, 2023, 18. DOI: 10.1016/j.cscm.2023.e01905.
    [12] WATSTEIN D. Effect of straining rate on the compressive strength and elastic properties of concrete [J]. ACI Journal Proceedings, 1953, 49(4): 729–744. DOI: 10.14359/11850.
    [13] HUO J S, XIAO L P, CHEN B S, et al. Impact behaviour of concrete after exposure to high temperatures [C]//The 4th International Conference on Protection of Structures against Hazards. Beijing, 2009.
    [14] 李胜林, 刘殿书, 李祥龙, 等. $\varnothing $ 75 mm分离式霍普金森压杆试件长度效应的试验研究 [J]. 中国矿业大学学报, 2010, 39(1): 93–97.

    LI S L, LIU D S, LI X L, et al. The effect of specimen length in $\varnothing $ 75 mm split Hopkinson pressure bar experiment [J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2010, 39(1): 93–97.
    [15] 卢芳云, 陈荣, 林玉亮, 等. 霍普金森杆实验技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2013.

    LU F Y, CHEN R, LIN Y L, et al. Hopkinson bar experimental technique [M]. Beijing: Science Press, 2013.
    [16] 尹土兵. 考虑温度效应的岩石动力学行为研究 [D]. 长沙: 中南大学, 2012. DOI: 10.7666/d.y2198475.

    YIN T B. Study on the dynamic behavior of rocks considering temperature effect [D]. Changsha: Central South University, 2012. DOI: 10.7666/d.y2198475.
    [17] LU Y B, LI Q M. Appraisal of pulse-shaping technique in split Hopkinson pressure bar tests for brittle materials [J]. International Journal of Protective Structures, 2010, 1(3): 363–390. DOI: 10.1260/2041-4196.13.363.
    [18] 陶俊林. SHPB实验技术若干问题研究 [D]. 绵阳: 中国工程物理研究院, 2005.

    TAO J L. Research on some problems of SHPB experimental technology [D]. Mianyang: China Academy of Engineering Physics, 2005.
    [19] 朋改非, 边松华, 杨学超, 等. 快速冷却引起的热冲击对纤维混凝土高温残余力学性能的影响 [C]//中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品分会七届二次理事会议暨学术交流会论文汇编. 2007: 66–72.

    PENG G F, BIAN S H, YANG X C, et al. Effect of thermal shock caused by rapid cooling on high temperature residual mechanical properties of fiber reinforced concrete [C]//Proceedings of the Second Council Meeting of the Seventh Session of the Concrete and Cement Products Branch of the Chinese Ceramic Society and Academic Exchange Meeting. 2007: 66–72.
    [20] 王统辉, 江树辉, 曹学敏, 等. 不同冷却方式、不同静置时下高温混凝土物理性能变化的研究 [J]. 中国住宅设施, 2020(10): 20–22.

    WANG T H, JIIANG S H, CAO X M, et al. Different cooling methods, different standing study on the change of physical properties of high-temperature concrete [J]. China Residential Facilities, 2020(10): 20–22.
    [21] ZHANG B, BICANIC N. Residual fracture toughness of normal-and high-strength gravel concrete after heating to 600 ℃ [J]. ACI Materials Journal, 2002(3): 217–226. DOI: 10.14359/11966.
    [22] 李龙钰, 马芹永, 袁璞, 等. 不同冷却方式下蒸压轻质混凝土高温劣化损伤试验研究 [J]. 科学技术与工程, 2022, 22(8): 3254–3260. DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2022.08.036.

    LI L Y, MA Q Y, YUAN P, et al. Experimental study on high temperature deterioration damage of autoclaved lightweight concrete under different cooling methods [J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(8): 3254–3260. DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2022.08.036.
  • 加载中
图(19) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  82
  • HTML全文浏览量:  13
  • PDF下载量:  47
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-09
  • 修回日期:  2024-06-15
  • 网络出版日期:  2024-06-17

目录

    /

    返回文章
    返回