Page 70 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 黄耀莹，等： 实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究 第 2 期

别由 132.08、178.38 和 190.91 MPa 降低至 103.43、 200

161.38 和 173.94 MPa， 降 低 幅 度 由 8.89% 到 180
21.69% 不等。原因是受温度影响，花岗岩内部 160
孔隙逐渐发展贯通，同时高温导致试件内结构水
脱失 [26] ，引起其内部裂隙发展，劣化试件动态力 Peak stress/MPa 140
学性能。400～600 ℃ 区间内花岗岩峰值应力持 120 −1
续降低，降幅可达 28.99%。这是由于随着温度 100 74.8 s −1
144.97 s
的进一步升高，试件内部结构热应力逐步增大， 230.29 s −1
80
导致原有孔隙和微裂隙在结构热应力的影响下 0 100 200 300 400 500 600
发展贯通，形成较大裂隙，同时黑云母、角闪石 Temperature/℃

等矿物成分脱水熔融生成新矿物熔体 [27] ，加大峰 图 12 峰值应力与温度、冲击荷载关系
值应力降低幅度。 Fig. 12 Relationship between peak stress and
temperature and strain rate
峰 值 应 变 作 为 试 件 脆 塑 性 大 小 的 判 断 依
据，表征了试件的塑性强弱。随温度升高，花岗岩试件峰值应变整体呈增大趋势，在 200～400 ℃ 内有所
波动。20 ℃ 时峰值应变为 0.010 1、0.010 4 和 0.011 2，600 ℃ 时峰值应变为 0.017 9、0.015 2 和 0.011 9，
增幅约为 6.25%～72.23%。造成这种现象的原因是：高温作用改变了花岗岩试件内部矿物成分的形态和
相态，造成矿物熔融软化 [28] ，试件原有组分接触状态与整体结构被破坏，裂纹发育更加贯通，因此花岗岩
试件的塑性特征得到加强。

2.3 破碎分形分析
分形维数大小是破碎程度的量化体现，根据 GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》，收集 SHPB
冲击试验后的破碎块体，通过筛分称量不同粒径范围的破碎试件质量，按质量-频率关系 [28] 计算花岗岩
冲击破碎块度的分布
Å ã 3−D
M X X
Y = = (5)
M X m
式中：M 为粒径小于 X 的破碎块体质量之和，M 为破碎块体总质量，X 为破碎颗粒粒径，X 为破碎颗粒
X
m
的最大粒径，D 为破碎颗粒块度分布的分形维数。
分形维数与温度、加载应变率的关系如图 13 所示。由图可知，随着应变率的增大，试件分形维数具
有明显增大趋势。例如 74.8 s 时，不同温度下破碎试件的分形维数分别为 2.09、1.95、1.99 和 2.39，当应
−1
−1
变率增大到 230.29 s 时，不同温度下破碎试件的分形维数则分别增大至 2.439 1、2.405 3、2.500 3 和 2.705，
增幅从 13.03% 到 25.52% 不等。分形维数随冲击速率增大而增大，说明试件破碎后的小颗粒占比增加，
即冲击速率的增加会导致试件破坏程度加剧。
2.7 74.8 s −1
随着温度升高，分形维数呈整体上升趋势， 2.6 144.97 s −1
20～400 ℃ 温度区间内分形维数有所波动，变化 2.5 230.29 s −1
规律不明显；400～600 ℃，分形维数呈明显上升 2.4
趋势，由 1.99、2.35 和 2.50 增长至 2.39、2.57 和 Fractal dimension 2.3
2.70，增幅可达 20.10%。分形维数随温度升高而 2.2
增大，说明实时高温冲击破碎后，试件小粒径颗 2.1
粒含量增高，破碎程度加剧。 2.0
分形维数与峰值应力的关系如图 14 所示。 1.9 0 100 200 300 400 500 600
峰值应力表征试件动力学强度的大小，分形维数 Temperature/℃

是破碎程度的量化体现，二者线性正相关，因此 图 13 分形维数与温度、应变率关系
分形维数可以作为试件动力学强度的劣化的一 Fig. 13 Relationship between fractal dimension and
种衡量指标。 temperature and strain rate

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