Page 44 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 黄晨瑞，等： 高速冲击下混凝土动力学性质和动态温度研究 第 5 期

concrete improves, reaching optimal mechanical performance at 1.5% steel fiber content. However, at 2.0% steel fiber content,
the mechanical performance slightly decreases due to an increase in internal voids within the concrete. During impact, the
dynamic temperature effect at the crack location exhibits a “stepped” pattern, with temperature change occurring in two distinct
stages: an initial slow rise during early crack formation, followed by a sharp increase as friction and shear effects intensify with
crack propagation. The influence of varying steel fiber content on temperature change is limited, with peak temperature and
peak stress showing similar trends. The primary temperature variations are driven by crack propagation and frictional effects.
After impact, the overall temperature in SPFRC specimens continues to rise within the first 300 μs. Due to the thermal lag, the
temperature does not decrease immediately after unloading. The high-speed infrared temperature measurement system provides
a new method for real-time monitoring of temperature changes at concrete crack locations, offering a basis for assessing
temperature evolution at cracks and the evaluation of crack propagation behavior.
Keywords: steel-polypropylene fiber reinforced concrete (SPFRC); dynamic temperature; infrared temperature measurement

钢-聚丙烯纤维混凝土 (steel-polypropylene fiber reinforced concrete，SPFRC) 是一种常用的脆性建筑材
料，与普通混凝土相比，钢纤维的掺入提高了混凝土的强度、韧性等 [1-5] ，聚丙烯纤维的掺入抑制了裂纹的
扩展、提升了混凝土的抗高温性能 [6-8] ，Kodur 等 、Xu 等 [10] 、徐礼华等 [11] 、王秋维等 [12] 将钢纤维 (steel
[9]
fiber，SF) 和聚丙烯纤维 (polypropylene fiber，PF) 混掺加入混凝土中，能够同时提升混凝土的强度和裂后
性能。混凝土除了受到静载和恒载的压力外，还会受到冲击载荷的影响，使混凝土迅速发生局部穿透破
坏或结构整体破坏，造成不可估量的灾害 [13] ，因此对混凝土动态性能的研究具有重要意义。
目前，对纤维混凝土材料的动态力学性能的研究多集中于材料在动态压缩下的韧性和强度等方
面 [14-16] 。但在冲击载荷作用下，混凝土、岩石等材料内部的微裂纹和断裂面会在应力作用下发生滑动摩
擦，引起混凝土局部温度的变化 [17-19] 。混凝土受冲击破碎过程可近似为绝热过程 [20] 。因此，为了更深入

地研究混凝土动态性能及破损后性能的变化，有必要对混凝土裂纹处的动态温度变化进行研究 [21-22] 。
由于温度变化的瞬时性和一次性，难以实时监测温度变化。目前主要使用热电偶 [23] 和红外测温方
法进行温度测量。虽然热电偶技术成熟且使用方便，但其响应时间较长（约 1 ms），难以满足高速测温需
求。相比之下，红外测温具有响应迅速、非接触式测温等优点。
红外监测作为一种无损、非接触的监测手段，具有效率高、实时监测等优点 [24-25] ，已被广泛应用于混
凝土和岩石结构的稳定性监测和破坏缺陷的无损检测 [26-27] 。红外辐射反映了混凝土加载过程中内部复
杂的物理力学过程，试件损伤越严重，产生的红外温度越高 [28] 。吴立新等 [29-30] 采用热红外 (TIR) 成像技
术研究了岩石被撞击前后红外辐射的升温最高幅度、比热和发射率等。刘善军等 [31] 采用红外热成像技
术研究了岩石在单轴压缩时破坏的时空演化特征，其破坏特征与应力场密切相关。邓志毅等 、Sun 等 [33]
[32]
采用红外成像仪监测混凝土和岩石在受力过程中的温度变化特征，发现其表面温度随着应力的增大而
升高，且混凝土和岩石在破坏前存在温度奇变点。一些学者 [34-36] 通过红外热成像技术研究了混凝土和
岩石破坏的前兆，但大多停留在静态加载或者准静态加载上。虽然有一些学者 [37-38] 开展了岩石高速冲
击破坏红外监测实验，并研究了冲击速度对混凝土、岩石破坏时红外热成像的影响规律，但受限于红外
热成像技术的采集速率，难以实现对冲击加载条件下瞬态温度变化的实时、高精度捕捉。因此，有必要
对冲击状态下混凝土破坏的实时温度进行监测。
Hodowany [39] 、Mason 等 [40] 、Potdar 等 [41] 将红外测温运用到冲击试验中，采用 HgTeGe 红外探测器监
测铝合金表面温度，得到了塑性功转化系数 β。Nieto-Fuentes 等 [42] 详细介绍了在霍普金森压杆试验中红
外测温监测固体瞬态温度的方法。夏源明等 [43] 采用红外探测器测量了岩石冲击拉伸断裂过程中温度的
变化。刘永贵等 [44] 、Zhang 等 [45] 对静态下不同材料的温度标定曲线进行了拟合，结合标定曲线实时监测
了金属的表面温度。这些研究为了解混凝土和岩石等材料在瞬态破坏过程中的动态温度监测奠定了基
础。因此，开展冲击状态下混凝土破坏的实时温度监测具有重要意义。

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