不同強(qiáng)度混凝土高溫下動(dòng)態(tài)劈拉性能研究

孟 龍，黃瑞源，蔣 東，肖凱濤，李 平

(1. 南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；2. 北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076；3. 防化研究院，北京 102205；4. 安徽工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，馬鞍山 243032)

近年，由于火災(zāi)、爆炸、恐怖襲擊的頻繁發(fā)生，建筑物的耐火性能和抗爆性能受到越來(lái)越多的關(guān)注[1 ? 5]。在城市環(huán)境中，火災(zāi)通常伴隨偶然性爆炸同時(shí)發(fā)生，混凝土作為主要的建筑材料，在高溫作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷劣化[6 ? 9]，其承載能力緩慢下降，此時(shí)混凝土的抗爆性能與常溫情況下有較大的不同[10 ? 12]。由于混凝土是一種拉壓不對(duì)稱的材料，抗拉強(qiáng)度較低，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞往往與其抗拉性能有關(guān)[13]。因此，探究高溫和沖擊荷載耦合作用下混凝土材料的拉伸力學(xué)性能具有重要的工程和科學(xué)意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土材料動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究主要集中在常溫情況下，而對(duì)高溫下混凝土材料動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究較少[14 ? 18]。石高揚(yáng)等[19]對(duì)C75 混凝土進(jìn)行了一系列動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同彈速下試件的劈裂強(qiáng)度和破壞形態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和研究。巫緒濤等[20]利用SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置對(duì)多種體積含量的EPS(聚苯乙烯)混凝土試件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)，提出了描述EPS 混凝土劈裂強(qiáng)度和應(yīng)力率關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。Guo 等[21]對(duì)3 種不同抗壓強(qiáng)度的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)。而溫度對(duì)混凝土材料動(dòng)態(tài)劈拉性能的影響一般是探究高溫后混凝土材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的變化，Huo等[22]將普通混凝土加熱至700 ℃的高溫后，測(cè)量了其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)果表明高溫和應(yīng)變率對(duì)其抗壓強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子有顯著影響。然而，對(duì)混凝土材料在高溫和沖擊荷載耦合作用下拉伸力學(xué)性能的研究相對(duì)較少，而對(duì)于不同強(qiáng)度的混凝土，其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度隨溫度和加載速率的變化規(guī)律是否一致，并且隨著溫度的升高，混凝土抗拉強(qiáng)度的加載速率(應(yīng)力率)敏感性如何變化等，依舊存在疑問(wèn)。

為探究不同強(qiáng)度的混凝土在溫度效應(yīng)和率效應(yīng)耦合作用下的拉伸力學(xué)性能，本文對(duì)3 種不同強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行了不同溫度下的動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同工況下混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度及破壞形態(tài)，分析試件強(qiáng)度、溫度、應(yīng)力率等因素對(duì)其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度及破壞形態(tài)的影響及規(guī)律。

1 動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

本文中試件材料為3 種不同強(qiáng)度混凝土，利用設(shè)計(jì)模具澆筑，尺寸為 φ70 mm×35 mm。原材料為：張家港海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粗骨料為張家港市的瓜子片，最大骨料粒徑為16 mm，顆粒級(jí)配為連續(xù)級(jí)配；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.39 的中砂；飲用自來(lái)水；安徽省法爾勝科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。其材料配合比如表1 所示。試件養(yǎng)護(hù)過(guò)程符合工程要求，并利用磨床對(duì)兩端面進(jìn)行研磨，其不平行度在0.02 mm 以內(nèi)，試件最終長(zhǎng)徑誤差在±0.02 mm 以內(nèi)。試件制備前，3 種混凝土材料的立方體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為25 MPa、48 MPa和80 MPa，混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)完成后，用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)邊長(zhǎng)為150 mm 的立方體試件進(jìn)行了多次抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到了3 種試件的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，分別為23.05 MPa、46.20 MPa 和70.06 MPa，并將其強(qiáng)度等級(jí)命名為C20、C45 和C70。

表1 C20、C45 和C70 混凝土試件配合比Table 1 Mixture ratio of C20, C45 and C70 concrete specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)介紹

動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)是在 φ74 mm SHPB(分離式霍普金森壓桿)裝置上完成，實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖如圖1所示。目前利用SHPB 進(jìn)行材料高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的方法主要有2 種[23 ? 25]：1)對(duì)局部壓桿和試件共同加熱，但會(huì)導(dǎo)致部分入射桿和透射桿上形成溫度梯度，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對(duì)溫度梯度進(jìn)行修正；2)只對(duì)試件進(jìn)行加熱，實(shí)驗(yàn)前需快速將試件安裝在系統(tǒng)中，無(wú)須對(duì)溫度梯度進(jìn)行修正。本文選擇第2 種方法對(duì)3 種不同強(qiáng)度混凝土試件進(jìn)行SHPB 高溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)室溫為20 ℃，采用升溫速度為8 ℃/min 的高溫爐將試件分別升溫至200 ℃和400 ℃。其中，溫控系統(tǒng)采用間接測(cè)量法，即使用鎧裝熱電偶，將其探頭置于試件附近，并在加溫系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)反饋系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)儀對(duì)加溫進(jìn)行控制，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)停止加熱，而當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)則重新加熱。當(dāng)加熱至預(yù)設(shè)溫度并維持一段時(shí)間后，爐內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將試件恒溫加熱2 h 后立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)。

圖1 SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖Fig.1 Experimental device and schematic of SHPB

實(shí)驗(yàn)中，將試件平行于地面放置于入射桿和透射桿之間，并手動(dòng)將入射桿和透射桿靠攏，使得試件依靠摩擦力可以較為穩(wěn)定地固定在兩桿的中心處，如圖2 所示。圖3 給出了SHPB 實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的脈沖波形，試件兩端受力F(t)可由壓桿應(yīng)變計(jì)記錄的入射波εi(t)、反射波εr(t)和透射波εt(t)計(jì)算得到[19]：

式中：D 為壓桿直徑；E 為壓桿材料的彈性模量。

圖2 SHPB 實(shí)驗(yàn)中試件的夾持狀態(tài)Fig.2 Clamping state of specimen in SHPB experiment

圖3 SHPB 實(shí)驗(yàn)脈沖波形Fig.3 Pulse waveform of SHPB experiment

混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂應(yīng)力可利用彈性力學(xué)半無(wú)限體集中力作用下的一點(diǎn)應(yīng)力公式求解，即圓盤在一對(duì)大小相等、過(guò)圓心的集中力作用下，圓心會(huì)產(chǎn)生垂直于該集中力的拉應(yīng)力，在足夠大的拉應(yīng)力作用下，試件就會(huì)出現(xiàn)中心開(kāi)裂破壞[13]。故試件中心的拉應(yīng)力σt(t)為：

式中：d 為試件直徑；h 為試件高度。則σt(t)的最大值即為試件的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度 fd。

對(duì)于應(yīng)力率的確定，一般動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)采用的是平均應(yīng)力率法[20]，即 fd除以σt(t)曲線上升段至峰值處的時(shí)間得到。由式(2)計(jì)算得到的某試件中心的σt(t)曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出σt(t)曲線的初始、峰值階段約占整體劈裂強(qiáng)度的35%，但占據(jù)整個(gè)上升段近60%的時(shí)間，因此平均應(yīng)力率不能代表實(shí)驗(yàn)的主要階段。注意到大多數(shù)σt(t)曲線上升段存在較長(zhǎng)的直線段(圖4 中的AB)，用此段的斜率作為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力率能夠較為客觀地反映實(shí)驗(yàn)的主要階段，故采用切線應(yīng)力率法。

圖4 試件中心的σt(t)曲線Fig.4 σt(t) curves in the center of specimen

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到了3 種不同強(qiáng)度混凝土材料在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的動(dòng)態(tài)劈裂拉伸應(yīng)力時(shí)程曲線。其中，在同一溫度下對(duì)同種試件進(jìn)行3 次～4 次實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)改變子彈初速調(diào)整應(yīng)力率的大小，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

2.2 不同強(qiáng)度混凝土在不同溫度下其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)力率的關(guān)系

圖5 給出了3 種不同強(qiáng)度混凝土材料分別在20 ℃、200 ℃和400 ℃下其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)力率之間的關(guān)系。從圖5 中可以看出，對(duì)于某一強(qiáng)度的混凝土，其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度 fd隨應(yīng)力率 σ˙d的增加而增加，并且隨著 σ˙d的增加， fd的增加幅度逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力率大致相同時(shí)，動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度f(wàn)d隨溫度 T的升高而降低，表現(xiàn)出一定的溫度軟化(退化)效應(yīng)。同時(shí)，從圖5 中可以看出 fd與σ˙d之間大致呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此本文使用式(3)對(duì)fd?σ˙d關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合曲線見(jiàn)圖5。發(fā)現(xiàn)擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本重合，證明了此方程形式的準(zhǔn)確性。其中，各材料參數(shù)擬合結(jié)果詳見(jiàn)表3。

式中，A、t、 y0為材料參數(shù)。

圖6 給出了擬合方程中各材料參數(shù)與溫度之間的關(guān)系。從圖6 中可以看出，材料參數(shù)A、t、y0與溫度 T之間呈線性關(guān)系。因而采用A、t、y0=aT+b 的形式對(duì)各材料參數(shù)與溫度間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，各系數(shù)擬合結(jié)果如表4 所示。

表2 動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Dynamic splitting test results

結(jié)合以上研究，本文給出了描述C20、C45 和C70 混凝土材料在不同溫度且應(yīng)力率在100 MPa/s～650 MPa/s 時(shí)其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度 fd與應(yīng)力率 σ˙d關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

圖5 不同強(qiáng)度混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)力率的關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic splitting strength and stress rate of different strength concrete

表3 材料參數(shù)Table 3 Material parameters

圖6 材料參數(shù)與溫度間的關(guān)系Fig.6 Relationship between material parameters and temperature

表4 系數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Coefficients fitting results

利用式(4)計(jì)算得到3 種強(qiáng)度混凝土材料在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的fd?σ˙d關(guān)系曲線，如圖7 所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，本文所提fd?σ˙d關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式在不同溫度下對(duì)于3 種不同強(qiáng)度的混凝土材料均取得了良好的擬合效果，證明了此經(jīng)驗(yàn)公式及其參數(shù)的合理性和準(zhǔn)確性。

圖7 實(shí)驗(yàn)值與式(4)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental values and calculation results of formula (4)

3 試件強(qiáng)度、應(yīng)力率、溫度對(duì)混凝土材料動(dòng)態(tài)劈裂的影響

由表2 中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同強(qiáng)度的混凝土試件在不同溫度和應(yīng)力率下的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度均有所不同。為探究試件強(qiáng)度、應(yīng)力率和溫度對(duì)混凝土材料動(dòng)態(tài)劈裂的影響，使用式(4)重現(xiàn)出3 種不同強(qiáng)度混凝土試件在20 ℃、200 ℃和400 ℃下的fd?σ˙d關(guān)系曲線，并挑選出應(yīng)力率為200 MPa/s、300 MPa/s、400 MPa/s、500 MPa/s 和600 MPa/s 時(shí)的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度，如圖8 所示。

圖8 fd ?σ˙d 關(guān)系曲線Fig.8 fd ?σ˙d curves

3.1 試件強(qiáng)度

不同溫度及應(yīng)力率下的K 值如圖9 所示。從圖9 可以看出，混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度對(duì)試件強(qiáng)度較為敏感。當(dāng)試件溫度為20 ℃時(shí)，相較于C20 混凝土，C45 和C70 混凝土在相同應(yīng)力率下的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度明顯降低，約為C20 混凝土的60%，當(dāng)應(yīng)力率小于400 MPa/s 時(shí)，C70 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度略高于C45 混凝土，而當(dāng)應(yīng)力率大于400 MPa/s 時(shí)，C70 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度略低于C45 混凝土；當(dāng)試件溫度提升至200 ℃時(shí)，C45 和C70 混凝土在相同應(yīng)力率下的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度同樣小于C20 混凝土，但約為C20 混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的70%；當(dāng)試件溫度為400 ℃且應(yīng)力率低于470 MPa/s 時(shí)，C45 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度最低，C70 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度最高，當(dāng)應(yīng)力率大于470 MPa/s 時(shí)，C70 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度依舊最高，但C45 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度卻高于C20 混凝土。由于3 種強(qiáng)度試件的配合比不同，其砂率和水灰比等特征值的大小也有所不同，而砂率和水灰比等對(duì)混凝土的劈拉性能有一定影響，因此對(duì)于圖9 中不同溫度下K 值的變化表現(xiàn)出一定的無(wú)序性。但是從整體來(lái)看，隨著應(yīng)力率的增加，試件強(qiáng)度的變化對(duì)其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響逐漸減小，配合比的不同對(duì)其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響逐漸削弱。

圖10 展示了SHPB 實(shí)驗(yàn)中3 種不同強(qiáng)度混凝土試件在400 ℃且應(yīng)力率約為250 MPa/s 時(shí)的破壞形態(tài)，其中試件左側(cè)為入射桿方向，右側(cè)為透射桿方向。一般將中心起裂后沿垂直于加載直徑方向擴(kuò)展的裂紋稱為主裂紋，把其他部位起裂和擴(kuò)展的裂紋稱為次生裂紋。如果試件的初始破壞形態(tài)主要由主裂紋引起，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)有效，反之則實(shí)驗(yàn)無(wú)效[14]。從圖10 可以看到試件上有一條沿撞擊方向的主裂紋，同時(shí)在裂縫兩端出現(xiàn)三角形的破壞區(qū)域，且入射桿方向三角形區(qū)域的破壞程度大于透射桿方向。對(duì)比3 種不同強(qiáng)度的混凝土試件可以發(fā)現(xiàn)，相較于C20 和C45 混凝土，C70 混凝土試件的主裂紋寬度最小，同時(shí)其三角形破壞區(qū)域沿直徑方向的深度小于C20 和C45 混凝土試件。C45 混凝土試件的主裂紋寬度最大，其入射桿和透射桿方向的三角形破壞區(qū)域貫穿整個(gè)試件，形成一條巨大的裂縫。

圖9 不同溫度下的K 值Fig.9 Values of K at different temperatures

圖10 不同強(qiáng)度混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂破壞形態(tài)Fig.10 Dynamic splitting failure morphology of concrete with different strength

3.2 應(yīng)力率

3 種不同強(qiáng)度混凝土在不同溫度下K1值隨應(yīng)力率的變化如圖11 所示，可以看出，混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力率較為敏感。3 種強(qiáng)度的混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度均隨著應(yīng)力率的增加而增加，并且隨著溫度的增加其應(yīng)力率敏感性逐漸升高。對(duì)比3 種強(qiáng)度混凝土在同一溫度下的K1值可以發(fā)現(xiàn)，C45 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的應(yīng)力率敏感性高于C20 和C70 混凝土。

圖12 展示了溫度為20 ℃時(shí)C45 混凝土試件在不同應(yīng)力率下的破壞形態(tài)(試件左側(cè)為入射桿方向，右側(cè)為透射桿方向)，其中圖12(a)、圖12(b)、圖12(c)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力率分別為87.88 MPa/s、123.24 MPa/s 和170.5 MPa/s。當(dāng)應(yīng)力率較低時(shí)，試件破壞時(shí)主裂紋貫穿試件但裂紋寬度較小，兩端出現(xiàn)較小的三角形破壞區(qū)域，同時(shí)入射桿方向三角形區(qū)域的開(kāi)口寬度和深度大于透射桿方向。當(dāng)應(yīng)力率為123.24 MPa/s 時(shí)，主裂紋的裂縫寬度較大，試件兩端三角形破壞區(qū)域的開(kāi)口寬度、沿直徑和厚度方向的開(kāi)口深度也隨之增加，同時(shí)三角形區(qū)域有較大體積的混凝土剝落。當(dāng)應(yīng)力率為170.5 MPa/s時(shí)，主裂紋寬度繼續(xù)增加，三角形區(qū)域沿直徑方向的深度幾乎擴(kuò)展至整個(gè)直徑，沿厚度方向的深度同樣擴(kuò)展至整個(gè)厚度，同時(shí)剝落的混凝土塊體積較小。因此，在相同溫度下隨著應(yīng)力率的增加，試件劈裂破壞時(shí)的主裂紋寬度逐漸增加，三角形破壞區(qū)域的開(kāi)口寬度、沿直徑和厚度方向的開(kāi)口深度也隨之增加，脫落的混凝土塊體積逐漸減小(破碎程度增加)。

3.3 溫度

圖11 不同強(qiáng)度混凝土材料的K1 值Fig.11 K1 of concrete with different strength

圖12 混凝土試件在不同應(yīng)力率下的動(dòng)態(tài)劈裂破壞形態(tài)Fig.12 Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different stress rate

3 種不同強(qiáng)度混凝土在不同應(yīng)力率下K2值隨溫度的變化如圖13 所示。從圖13 可以看出，混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度對(duì)溫度較為敏感。3 種強(qiáng)度混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度均隨著溫度的增加而明顯降低，其中C20 混凝土的溫度敏感性最高，當(dāng)溫度提升至400 ℃時(shí)，其動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度下降至常溫時(shí)的20%～35%，并且隨著試件強(qiáng)度的增加其溫度敏感性逐漸減低。對(duì)比3 種強(qiáng)度混凝土在不同應(yīng)力率下K2值的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力率的增加，混凝土材料的溫度敏感性逐漸降低。

圖14 展示了應(yīng)力率約為370 MPa/s 時(shí)C45 混凝土試件在不同溫度下的破壞形態(tài)。其中圖14(a)、圖14(b)、圖14(c)的試件溫度分別為20 ℃、200 ℃、400 ℃(試件左側(cè)為入射桿方向，右側(cè)為透射桿方向)。在20 ℃下，試件沿撞擊方向裂為兩半，主裂紋平直且較細(xì)，次生裂紋較少。在入射桿和透射桿方向出現(xiàn)三角形破壞區(qū)域，但入射桿方向三角形區(qū)域混凝土未完全脫落。在200 ℃下，試件的主裂紋寬度較大，兩端混凝土剝落嚴(yán)重，但剝落后的混凝土塊較為完整。在400 ℃下，試件主裂紋寬度巨大，沿直徑方向混凝土均有不同程度破壞，靠近入射桿和透射桿方向的混凝土破壞嚴(yán)重，且剝落后的混凝土塊較小。因此，在相近應(yīng)力率下，隨著溫度的升高，試件劈裂破壞時(shí)主裂紋寬度逐漸增加，同時(shí)入射桿和透射桿方向的三角形區(qū)域的破壞程度相應(yīng)增加，剝落的混凝土塊體積逐漸減小。

4 溫度與應(yīng)力率的耦合作用對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響

在城市火災(zāi)中常伴隨著偶然性爆炸，混凝土材料在失效時(shí)往往處于高溫、高應(yīng)力率的環(huán)境中，因此探究溫度和應(yīng)力率耦合作用下混凝土材料動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律至關(guān)重要。為了更加直觀地對(duì)比溫度與應(yīng)力率耦合作用下3 種不同強(qiáng)度混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度，將圖8 中C20、C45、C70 混凝土分別在3 種不同溫度(20 ℃、200 ℃、400 ℃)及5 種不同應(yīng)力率(200 MPa/s、300 MPa/s、400 MPa/s、500 MPa/s、600 MPa/s)下的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為三維柱狀圖，如圖15 所示。

圖13 不同強(qiáng)度混凝土材料的K2 值Fig.13 K2 of concrete with different strength

圖14 混凝土試件在不同溫度下的動(dòng)態(tài)劈裂破壞形態(tài)Fig.14 Dynamic splitting failure morphology of concrete specimens with different temperatures

圖15 溫度和應(yīng)力率耦合作用下混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度Fig.15 Dynamic splitting strength of concrete under the coupling effect of temperature and stress rate

從圖15 可以發(fā)現(xiàn)混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力率增強(qiáng)效應(yīng)與溫度軟化效應(yīng)，3 種不同強(qiáng)度的混凝土試件均在溫度為20 ℃、應(yīng)力率為600 MP/s 時(shí)動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度最大，在溫度為400 ℃且應(yīng)力率為200 MP/s 時(shí)動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度最小。同時(shí)，隨著溫度的升高以及應(yīng)力率的降低，C20 混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的變化最大，C70 混凝土動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的變化最小。相較于常溫低應(yīng)力率(20 ℃、200 MP/s)，高溫高應(yīng)力率(400 ℃、600 MP/s)條件下3 種強(qiáng)度混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)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 混凝土的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度變化最小。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度(C20、C45 和C70)混凝土材料在不同溫度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下開(kāi)展不同應(yīng)力率的動(dòng)態(tài)劈裂拉伸實(shí)驗(yàn)，探究高溫和應(yīng)力率耦合作用下材料動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律及相應(yīng)的破壞形態(tài)，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著溫度的增加，混凝土材料在相近應(yīng)力率條件下的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng)；但是在相同溫度及相近應(yīng)力率條件下，混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度并未隨試件強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

(2) 混凝土材料在沖擊荷載下，試件會(huì)沿徑向開(kāi)裂，主裂紋兩端出現(xiàn)三角形破壞區(qū)域，且入射桿方向三角形區(qū)域的開(kāi)口寬度和深度大于透射桿方向，同時(shí)，隨著溫度和應(yīng)力率的增加，三角形破壞區(qū)域變大，主裂紋寬度也相應(yīng)增加，剝落的混凝土塊體積減小。

(3) 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了適用于不同溫度及應(yīng)力率條件下混凝土材料的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)力率間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，為進(jìn)一步探究高溫下混凝土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系研究提供參考和借鑒。

(4) 混凝土材料動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的溫度敏感性隨應(yīng)力率的增加逐漸減小，并且隨著混凝土材料強(qiáng)度的增加其溫度敏感性也逐漸變小，但是混凝土材料動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的應(yīng)力率敏感性卻隨著溫度的升高逐漸增大。