靜動(dòng)組合荷載下混凝土高溫后的雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

王志航，許金余,2，王騰蛟，孟博旭，劉高杰

(1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

隨著混凝土在工業(yè)與民用建筑、國防軍事防護(hù)工程中的廣泛使用，其在高溫環(huán)境下由于力學(xué)性能和耐久性劣化，造成的工程結(jié)構(gòu)安全性降低問題逐漸突出。在實(shí)際的建筑物火災(zāi)和核電站事故中，往往存在建筑內(nèi)部的化學(xué)爆炸、建筑上部構(gòu)件坍塌和噴水滅火等產(chǎn)生的沖擊載荷，同時(shí)，很多混凝土結(jié)構(gòu)處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。另外，在國防工程防護(hù)中，混凝土結(jié)構(gòu)也應(yīng)考慮多軸應(yīng)力和炸彈爆炸高溫沖擊的共同作用。在這些環(huán)境中，都必須考慮高溫、多軸應(yīng)力狀態(tài)和沖擊荷載耦合作用對(duì)混凝土的影響。

對(duì)混凝土在高溫下的力學(xué)性能研究起步較早，從20世紀(jì)五六十年代就開始了大量研究[1-3]。但從現(xiàn)有的資料來看，有關(guān)高溫下混凝土力學(xué)性能的研究多為靜態(tài)力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究較少，且主要集中在高溫與動(dòng)荷載耦合作用下的力學(xué)性能研究[4-9]，很少考慮初始靜荷載的存在。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究較多[10-13]，但相關(guān)高溫與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)共同作用下混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究才剛剛起步。

鑒于此，筆者采用真三軸靜、動(dòng)力綜合加載試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)處于雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下的高溫后混凝土進(jìn)行沖擊荷載試驗(yàn)，通過分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、平均應(yīng)變率、峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系，研究溫度對(duì)混凝土雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，從而為建筑物火災(zāi)和核電站事故后的安全性分析、國防軍事防護(hù)工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的P.O 42.5R級(jí)水泥由秦嶺水泥有限公司生產(chǎn)，表1為其基本參數(shù)。粗骨料選用粒徑5～20 mm的涇陽縣石灰?guī)r碎石，密度2.70 g/m3，堆積密度1 500 kg/m3，含泥量0.2%。細(xì)骨料采用灞河中砂，級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)2.78，密度2.63 g/m3，堆積密度1 620 kg/m3，含泥量1.1%。采用符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的自來水。減水劑選用FDN高效減水劑。表2為每立方米混凝土的配合比及性能指標(biāo)。

表1 水泥的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of cement

表2 混凝土配合比及性能指標(biāo)Table 2 Concrete mix ratio and performance index

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加熱設(shè)備采用BLMT型箱式高溫電爐，如圖1所示，加熱原理為熱傳遞方式，爐膛尺寸500 mm×500 mm×500 mm，發(fā)熱原件為硅碳棒，共8根，均勻安裝在爐膛左右兩面，最高升溫1 000 ℃，額定電壓380 V，額定功率20 kW。采用真三軸靜、動(dòng)力綜合加載試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖2所示)對(duì)混凝土試件施加靜動(dòng)組合荷載，通過靜力加載系統(tǒng)對(duì)高溫后的混凝土試件施加雙軸靜荷載，然后通過動(dòng)力加載系統(tǒng)對(duì)混凝土試件主軸方向施加沖擊荷載。

圖1 高溫加熱系統(tǒng)Fig.1 High-temperature heating

圖2 真三軸靜、動(dòng)力綜合加載試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 True triaxial static and dynamic comprehensive

真三軸靜、動(dòng)綜合加載試驗(yàn)由洛陽騰陽機(jī)械科技有限公司與西安航空大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，主要由靜力加載系統(tǒng)和動(dòng)力加載系統(tǒng)兩部分組成。靜力加載系統(tǒng)為真三軸試驗(yàn)機(jī)，可以進(jìn)行3個(gè)垂直方向的獨(dú)立加載、卸載以及復(fù)雜路徑的試驗(yàn)。動(dòng)力加載系統(tǒng)基于SHPB理論[14-16]設(shè)計(jì)，主體試驗(yàn)設(shè)備包括壓力裝置、撞擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿、操作臺(tái)等部分。

在實(shí)際的軍事防護(hù)工程建筑和工業(yè)民用建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱、板等基本構(gòu)件相互連接、相互約束，大多處于雙軸或三軸應(yīng)力狀態(tài)。如簡(jiǎn)支梁的截面受到彎矩和剪力的作用，處于雙軸應(yīng)力狀態(tài)。考慮沖擊荷載的作用，試驗(yàn)采用的靜動(dòng)組合荷載的施加如圖3所示，σ1、σ2為雙軸靜荷載，σ動(dòng)為沖擊荷載。

圖3 靜動(dòng)組合荷載的施加Fig.3 Application of combined static and dynamic

1.3 試件的制備

先將立方體鋼模刷油以防止粘模具，再將根據(jù)表2配合比拌和的混凝土置入鋼模中，然后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型。試件室內(nèi)放置24 h后拆模，對(duì)制備的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和70 mm×70 mm×70 mm的立方體。

試驗(yàn)采用5組溫度，分別為常溫(25 ℃)、200、400、600、800 ℃。每組6個(gè)混凝土試件，3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件用于測(cè)量高溫后的強(qiáng)度，3個(gè)70 mm×70 mm×70 mm的立方體試件用于測(cè)量高溫后雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。在對(duì)試件進(jìn)行高溫加熱過程中，采取了降低含水率和溫度梯度兩個(gè)措施來降低混凝土產(chǎn)生爆裂的可能性。通過將試件放入100 ℃ 的電爐箱內(nèi)恒溫15 min來降低含水率；通過調(diào)節(jié)電爐電壓至70 V(升溫速率為0.5 ℃/s)來減小溫度梯度。

將電爐箱清理干凈后，關(guān)閉箱門，打開電源，調(diào)節(jié)溫控器至100 ℃。加熱完畢后，將標(biāo)準(zhǔn)試件置于電爐箱內(nèi)，恒溫15 min進(jìn)行除濕。調(diào)節(jié)溫控器，將試件加熱到相對(duì)應(yīng)的溫度后，恒溫6 h，使試件物理化學(xué)反應(yīng)更充分和達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)。然后打開箱門，將試件取出，自然冷卻，制成不同高溫后的混凝土試件。試件加熱過程中，有少量蒸汽從電阻爐內(nèi)冒出，混凝土失水。高溫后，試件整體性保持較好，800 ℃后有個(gè)別邊角骨料脫落，可以看出存在許多小裂縫，但沒有嚴(yán)重開裂。試件在高溫前后的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 高溫前后混凝土試件Fig.4 Concrete specimen before and after high

1.4 試驗(yàn)方法

(1)

式中：E為桿的楊氏彈性模量；A、As分別為桿、試件的橫截面積；εi、εr、εt分別為桿中入射、反射、透射應(yīng)變；τ1、τ2分別為反射波、透射波相對(duì)于入射波的時(shí)間延遲。

圖5 靜動(dòng)組合荷載的加載方法Fig.5 Loading method for combined static and dynamic

表3 高溫后靜動(dòng)組合荷載下混凝土試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of concrete under combined static and dynamic loads after high temperature

續(xù)表3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響

利用“三波法”對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖6為相同軸壓比∶側(cè)壓比的靜動(dòng)組合荷載下混凝土高溫后雙軸動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，為平均值曲線；圖7為200、800 ℃高溫后混凝土試件雙軸動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖6可以看出，不同溫度后，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的形狀大致相同，與常溫下曲線相似。在25 ～200 ℃范圍內(nèi)，曲線為單峰曲線，有明顯的峰值，沒有平臺(tái)；但當(dāng)溫度在400 ～800 ℃范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)明顯的平臺(tái)，而且峰后階段較為平緩，沒有發(fā)生迅速跌落，混凝土在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持強(qiáng)度。高溫后靜動(dòng)組合荷載下，曲線的線性段比常溫時(shí)有所下降，線性段下降的幅度與溫度的大小直接相關(guān)，溫度越大，線性段下降的幅度越大；經(jīng)歷高溫作用后，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，混凝土變脆，彈性模量減小，溫度軟化作用明顯。隨著溫度的升高，峰部先抬高后下降；當(dāng)溫度為200 ℃時(shí)，峰部最高，峰值應(yīng)力提高。

圖6 高溫后混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Biaxial dynamic compressive stress-strain curve of

混凝土是一種多相混合材料，且隨外界環(huán)境條件的變化而變化。溫度作用下混凝土各種物理、化學(xué)變化等共同影響混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及變形特性。由圖6可知，在一定條件下表現(xiàn)為溫度的強(qiáng)化效應(yīng)，在另外一些條件下表現(xiàn)為溫度的弱化作用。溫度作用下混凝土各種微缺陷的孕育、擴(kuò)展和匯合，各種水分的轉(zhuǎn)移、蒸發(fā)，各種礦物成分的分解、轉(zhuǎn)化，共同影響著高溫后混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

圖7 部分高溫后混凝土試件的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Biaxial dynamic compressive stress-strain curve of concrete specimens after partial high

同時(shí)，混凝土材料在靜動(dòng)組合荷載下的動(dòng)態(tài)行為與靜力作用下的力學(xué)行為最顯著的區(qū)別是混凝土力學(xué)特性的應(yīng)變率敏感性。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變時(shí)的應(yīng)變率敏感性增強(qiáng)，在圖6應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上表現(xiàn)為峰部出現(xiàn)平臺(tái)，峰后曲線下降變緩。

2.2 溫度對(duì)混凝土雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度、雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖8所示，圖8為平均值曲線。由圖8可見，隨溫度的升高，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為200、400、600、800 ℃時(shí)，強(qiáng)度普遍低于常溫時(shí)的強(qiáng)度，與常溫相比，降幅分別為10.01%、26.02%、44.99%、70.00%。在經(jīng)歷800 ℃高溫后，混凝土的抗壓強(qiáng)度僅為16.3 MPa。從混凝土抗壓強(qiáng)度與溫度的擬合曲線可以看出，兩者之間有良好的線性關(guān)系。對(duì)于混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度而言，在25～400 ℃存在其抗壓強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)溫度在200 ℃時(shí)，增幅為14.91%，雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度達(dá)到210.38 MPa；在溫度為400～600 ℃時(shí)，雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度迅速下降。當(dāng)溫度為400、600 ℃時(shí)，與常溫相比,雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降幅分別為19.07%、52.32%。在經(jīng)歷800 ℃高溫后，雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度為72.03 MPa，與25 ℃相比，強(qiáng)度下降65.76%左右。溫度對(duì)混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度既有強(qiáng)化作用，又有弱化作用，存在一個(gè)界限值。

圖8 高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度、雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與溫度的變化曲線Fig.8 Curves of concrete compressive strength, biaxial dynamiccompressive strength and temperature after high

混凝土在高溫前后的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度差異是由于各個(gè)高溫等級(jí)所導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)不同而引起。當(dāng)溫度不是很高時(shí)，由于粗骨料和水泥石的熱工性能差異，溫度升高，粗骨料和水泥石受熱膨脹，會(huì)填充一部分原生裂縫，使得裂縫數(shù)量減少，同時(shí)，雙軸靜載的軸壓作用也在一定程度上限制了裂縫的發(fā)育，從而使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙率下降。除此之外，混凝土內(nèi)部吸附的水分發(fā)生遷移，水泥凝膠體顆粒間表面張力增大，這在一定程度上會(huì)導(dǎo)致混凝土的承載力增強(qiáng)，從而使其雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變大。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，水泥凝膠體開始脫水，C—S—H的層間水蒸發(fā)以及C—S—H、氫氧化鈣分解而失水，粗骨料和水泥石等脆性材料性質(zhì)弱化，過渡區(qū)性能進(jìn)一步降低，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)損傷加重。同時(shí)，由于粗骨料和水泥石的線膨脹系數(shù)差異，溫度升高，差異變大，導(dǎo)致新裂縫的產(chǎn)生和原生裂縫的發(fā)育，從而使混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度等發(fā)生顯著的劣化。

從混凝土材料應(yīng)變率敏感性考慮，混凝土雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的提高可以從兩方面分析：一方面，在沖擊荷載作用下，混凝土材料在中高應(yīng)變率狀態(tài)下發(fā)生顯著改變，但由于試件尺寸較大，中心部位因?yàn)閼T性效應(yīng)的作用，側(cè)向發(fā)生變形受到約束，產(chǎn)生了環(huán)箍效應(yīng)，類似圍壓作用的存在，在一定程度上提高了混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。另一方面，混凝土微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過程本質(zhì)上都是一個(gè)消耗能量的過程，新裂縫產(chǎn)生與原生裂縫的發(fā)展度需要從外部吸收能量；但由于沖擊荷載應(yīng)變率較高，作用時(shí)間極短，混凝土沒有足夠的時(shí)間去集聚能量，根據(jù)沖量定理，只有通過提高應(yīng)力的方式來抵消外部的沖量，這在一定的程度上也提高了混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，表現(xiàn)為圖8中曲線先上升。

就雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨溫度的整體變化趨勢(shì)來看，溫度變化對(duì)高溫后混凝土的雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，應(yīng)變率變化只起部分作用。

2.3 溫度對(duì)混凝土平均應(yīng)變率的影響

試件破壞前應(yīng)變率時(shí)程曲線上應(yīng)變率值上下振蕩相對(duì)較穩(wěn)定，即近似恒應(yīng)變加載階段，取該階段的均值為平均應(yīng)變率。如圖9所示，取22 ms后較穩(wěn)定的階段平均值為平均應(yīng)變率。平均應(yīng)變率是表征混凝土應(yīng)變速率的一種度量，是反映混凝土變形性能的重要指標(biāo)。高溫后混凝土在靜動(dòng)組合荷載下平均應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖10所示，圖10為平均值曲線。由圖10可以看出，在高溫和靜動(dòng)組合荷載耦合作用下，混凝土的平均應(yīng)變率都達(dá)到了中高應(yīng)變率區(qū)(101～102s-1)。整體上，在同一沖擊速率下，混凝土的平均應(yīng)變率表現(xiàn)出顯著的溫度效應(yīng)，常溫時(shí)平均應(yīng)變率最小，隨著溫度升高，平均應(yīng)變率有逐漸增大的趨勢(shì)，說明高溫環(huán)境下混凝土抵抗變形的能力減弱。平均應(yīng)變率隨著溫度的升高，增加得越來越快，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，平均應(yīng)變率為79.44 s-1，與25 ℃相比，增幅達(dá)到94.66%。高溫作用后混凝土內(nèi)部裂縫增多，混凝土發(fā)生劣化，性能降低。通過建立平均應(yīng)變率與溫度的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)對(duì)平均應(yīng)變率產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，在圖10上表現(xiàn)為平均應(yīng)變率增大。溫度升高，混凝土劣化變脆，平均應(yīng)變率增大。

圖9 800 ℃高溫后混凝土應(yīng)變率時(shí)程曲線Fig.9 Time history curve of concrete strain rate after

圖10 高溫后混凝土平均應(yīng)變率與溫度的變化曲線Fig.10 Curve of average strain rate and temperature of

2.4 溫度對(duì)混凝土應(yīng)變的影響

峰值應(yīng)變是峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。均值應(yīng)變?nèi)〉氖菓?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線所圍面積與峰值應(yīng)力的比值。峰值應(yīng)變相對(duì)值是高溫后混凝土的峰值應(yīng)變與25 ℃時(shí)峰值應(yīng)變的比值。高溫后混凝土的峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)變的相對(duì)值以及均值應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律如圖11所示，圖11為平均值曲線。從圖中可以看出，高溫加熱處理對(duì)混凝土在靜動(dòng)組合荷載下的峰值應(yīng)變有明顯影響，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)變近似線性增大。經(jīng)歷200、400、600 ℃高溫處理后，峰值應(yīng)變的增幅達(dá)到23.43%、54.28%、82.90%；且在經(jīng)歷800 ℃高溫處理后，峰值應(yīng)變達(dá)到0.56%，增幅一倍多，為109.29%。均值應(yīng)變也隨溫度的升高而增大，且在經(jīng)歷800 ℃高溫處理后，增幅達(dá)到133.21%。高溫加熱處理會(huì)導(dǎo)致混凝土試件中部分水分的丟失以及顆粒之間間距增大，進(jìn)而引起材料形變的增加。高溫后混凝土材料的峰值應(yīng)變和均值應(yīng)變都表現(xiàn)出應(yīng)變率敏感性。反映在圖11上為峰值應(yīng)變和均值應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

3 結(jié)論

利用真三軸靜、動(dòng)力綜合加載試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)常溫(25 ℃)和200、400、600、800 ℃高溫后混凝土試件預(yù)先施加雙軸靜荷載，然后再對(duì)X軸施加動(dòng)荷載，從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、平均應(yīng)變率以及應(yīng)變等4個(gè)方面綜合分析了溫度對(duì)混凝土雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

圖11 高溫后混凝土峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)變的相對(duì)值以及均值應(yīng)變與溫度的變化曲線Fig.11 Curve of peak strain, relative value of peak strain,and mean strain and temperature after high

1)溫度變化是影響高溫后混凝土雙軸動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的主要因素，應(yīng)變率變化是次要因素。溫度對(duì)混凝土雙軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響較為復(fù)雜，強(qiáng)化和弱化交織在一起；在25～200 ℃之間，溫度主要表現(xiàn)出強(qiáng)化效應(yīng)；隨著溫度的繼續(xù)升高，300 ℃之后，溫度弱化效應(yīng)明顯，占主導(dǎo)地位。

2)溫度作用下，物理、化學(xué)變化共同影響混凝土的強(qiáng)度和變形性能?；炷猎诮?jīng)歷400 ℃高溫后，仍變現(xiàn)出良好的抗沖擊韌性。

3)與常溫相比，靜動(dòng)組合荷載下，混凝土高溫后的峰值應(yīng)力和均值應(yīng)變依然表現(xiàn)出了應(yīng)變率敏感性。