Page 55 - 《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

然而，当钢纤维体积掺量达到 2.0% 时，峰 40
值温度略有下降，这是由于较高的纤维掺量导 35 29.934 34.462 28.437
致混凝土内部纤维分布不均匀，部分区域形成了 30 25.470
较 多 的 空 隙 。 高 纤 维 掺 量 虽 然 能 够 抑 制 部 分 25
裂纹扩展，但在高冲击下，纤维与基体的黏结作 Temperature/℃ 20 14.167
用 减 弱 ， 导 致 混 凝 土 破 碎 成 较 多 小 颗 粒 ， 热 量 15
更易散失。因此，温度上升受到抑制，峰值温度 10
5
下降。
0
在冲击过程中，混凝土的最高温度达到了 0 0.5 1.0 1.5 2.0
34.462 ℃，而在传统的混凝土裂纹计算 [54] 和混凝 Steel fiber content/%
土本构 [55] 中，通常忽略了混凝土破坏过程中温 图 15 不同钢纤维体积掺量时混凝土的峰值温度
度变化的影响，这种忽略会导致一定程度的误 Fig. 15 Peak temperature of concrete with
差。尤其是在应力与温度相互作用明显的情况 different steel fiber content
下，忽略温度的变化不仅会影响对裂纹扩展行为的准确判断，还会导致对能量耗散和整体力学性能的评
估产生偏差。监测裂纹处的温度变化有助于更全面地分析裂纹扩展的动力学过程，对于提高计算精度
和准确预测裂纹扩展具有重要意义。

3.4.2 热力效应 4
2.0 Reflected wave
图 16 为 SPFRC 试件的典型霍普金森压杆 Input bar
1.5 Transmission bar 3
波形图和动态温度波形图，在应力波脉冲到达试 Temperature
1.0 2
件的瞬间，温度信号仅小幅上升，随后温度基本 0.5
保持不变，在约 180 μs 后温度开始明显上升，由 Strain/10 −3 0 1 Temperature/℃
于混凝土密度较低和其多孔结构的特点，导致其 −0.5 SPFRC Transmitted wave 0
导热系数较低，在受到冲击作用时，温度变化与 −1.0 −1
−1.5
力学响应之间的传递和反馈并非瞬间完成，而是 −2
−2.0 Incident wave
相对于力存在滞后效应。 −3
0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400
两种信号在时间上相匹配，进一步证实了 Time/μs
力与温度变化之间的关联性，这种由混凝土受冲
图 16 SPFRC 试件的霍普金森压杆波形图和温度变化波形图
击破坏从而引起温度变化的现象被称为热力耦 Fig. 16 Waveform diagram of SPFRC specimen on the
合效应。 Hopkinson pressure bar and temperature variation
如图 17 所示，SPFRC 试样在受冲击后温度
变化呈现“台阶状”，在加载初期，升温较为缓慢；在混凝土达到峰值应力后升温迅速。根据 SPFRC 试
件的应力-时程曲线，结合∆T-时程曲线，大致可将温度变化分为两个阶段。
（1）温度缓慢上升阶段，与应力迅速增长区 (OA) 对应，此时，混凝土表面出现细微裂纹，在裂纹处温
度上升较为缓慢，裂纹扩展较小，摩擦效应并不显著，因此，温度上升缓慢，显示出混凝土在承载初期的
稳定性。
（2）温度迅速上升阶段，与应力迅速衰减区 (AB) 和应力缓慢衰减区 (BC) 对应。当混凝土试件达到
峰值应力并逐渐破裂后，裂纹增多且贯通，摩擦效应显著增强，导致裂纹处的温度急剧上升。这表明，当
混凝土失去承载能力时，摩擦和剪切作用显著，裂纹区域迅速升温，进一步验证了裂纹扩展与温度变化
的密切关系。
在整个冲击过程中，混凝土试件的温度呈现持续上升的趋势。由于混凝土导热系数较低，热量难以
及时与外界交换，尽管试件的应力开始卸载，但温度仍未下降。在峰值应力之后，混凝土并不会立即被
完全破坏，其强度会逐渐下降，而裂纹由于摩擦效应持续产生热量，导致温度继续上升，形成滞后效应。

053101-13