Page 117 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 张 臣，等： 高温与冲击耦合作用下超高性能混凝土的动态力学特性与本构方程 第 2 期

考虑应变率效应对 UHPC 破坏形态的影响时，由图 8 发现，应变率强化效应显著加剧 UHPC 失效模
−1
式的演化，碎片化程度与应变率正相关。常温下，在 90、110 s 应变率冲击下呈现裂纹扩展，纤维桥联效
应有效抑制裂纹蔓延。130 s 应变率冲击下，碎片剥落，裂而不碎，应力-应变曲线存在应变硬化特征。
−1
−1
160 s 应变率冲击下，基体发生脆性破坏，但纤维桥联作用使得基体仍有一定延性，出现混脆性破坏。
−1
200 s 应变率冲击下，UHPC 发生破坏程度加剧，突然劈裂。这是由于应变率过高导致纤维滑移滞后，能
量耗散机制未充分发挥，UHPC 基体便发生脆性破坏。
考虑温度效应对 UHPC 破坏形态的影响时，从图 8 可以看出，UHPC 的破坏形态受高温影响。室温
下，钢纤维阻止和延缓了主裂纹的扩展 [12] ，试样基体的碎裂程度小。200 ℃ 时，UHPC 中的自由水蒸发以
及胶凝材料进一步发生水化反应，由于钢纤维与基体的热膨胀系数相差较大，钢纤维与基体的黏结能力
2
降低，90 s −1 应变率冲击下试样便发生破坏。400 ℃ 时，UHPC 中的 Ca(OH) 分解，Calcium-Silicate-
Hydrate（C-S-H）凝胶的网状结构破坏，由于水泥水化反应，钢纤维仍有较高的残余强度支撑基体。600 ℃
时，钢纤维与空气接触面氧化变黑，基体水化产物进一步分解，试样表面产成大量孔洞和裂纹，导致基体
结构劣化 [10] 。
2.2.2 超高性能混凝土的动态应力-应变曲线
图 9 给出了同温条件、不同应变率下 UHPC 的动态应力-应变曲线。尽管高温和冲击耦合作用导致
UHPC 的应力-应变曲线存在差异，但均呈现四阶段演化特征，即初始压实、线弹性变形、弹塑性变形和
损伤软化，这是应变硬化、损伤软化和热软化效应三元耦合作用的结果。根据实验得到的现象 [25-28] ，可
以将图 9 归纳为 3 种失效机制。
(1) 应变硬化主导型 [24] 失效机制：特征为弹塑性变形时期出现向上倾斜的曲线，应变逐渐增大，应力
持续上升；应力到达峰值后，突然出现脆性破坏，如图 9(a) 中 86.58 和 115.90 s 应变率下的应力-应变曲
−1
线所示。(2) 应变硬化与损伤软化交互作用下的失效机制：这一过程与应变硬化主导型破坏过程相似，但
应力到达峰值后曲线缓慢下降，如图 9(a) 中 130.64 和 156.38 s 应变率下的应力-应变曲线所示。(3) 损
−1
伤软化主导型失效机制：应力-应变曲线没有明显的弹塑性变形阶段，应力短时间内到达峰值，随后曲线
缓慢下降，如图 9(b) 中 168.10 s 应变率下的应力-应变曲线所示。
−1
图 9 中，在相同应变率下，峰值应力均随温度的升高而降低，表明高温影响 UHPC 的力学性能。
2.2.3 温度和应变率效应对 UHPC 峰值应变和动态抗压强度的影响

峰值应变作为 UHPC 极限变形能力的表征
25 ℃, peak strain 25 ℃, peak stress
参量，直接关联防护结构的损伤容限设计阈值。 200 ℃, peak strain 200 ℃, peak stress
由图 10 可以发现，25、400 和 600 ℃ 实验组中， 400 ℃, peak strain 400 ℃, peak stress
600 ℃, peak stress
600 ℃, peak strain
应变率越大，UHPC 的峰值应变也越大。200 ℃ 0.016 256
实验组中，UHPC 试样的峰值应变随应变率提高
224
呈逐渐下降的趋势。这可能是由于 200 ℃ 加热 0.012
时，UHPC 内部的自由水蒸发，混凝土内部由于 192
蒸汽压力较大，蒸汽溢出产生细小的孔洞，加剧 Peak strain 0.008 Peak stress/MPa
裂纹的扩展，导致承载力下降，冲击时裂纹未及 160
时扩展便发生脆性破坏。 0.004
128
图 10 显示，相同温度下，UHPC 的动态抗压
强度与应变率呈正比，混凝土的应变率强化效应 0 96
140
显著。图 11 给出同一应变率冲击下，UHPC 在 80 100 120 Strain rate/s 160 180 200
−1
高温环境中的动态抗压强度相对于在室温中的
图 10 UHPC 的动态抗压强度和峰值应变与应变率的关系
动态抗压强度的损失率。从图 11 可以看出，在 Fig. 10 Dynamic compressive strength and peak strain
−1
110 s 应变率的冲击下，UHPC 的动态抗压强度 of UHPC against strain rate

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