田 威，高芳芳

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061)

納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展給混凝土復(fù)合材料帶來(lái)了新的發(fā)展?jié)摿?。在眾多納米材料中，多壁碳納米管(multi walled carbon nanotubes,MWCNTs)因其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注[1-2]。相關(guān)研究表明，在一定的摻量和直徑范圍內(nèi)，MWCNTs可以通過(guò)其填充、橋聯(lián)和成核效應(yīng)來(lái)改善混凝土復(fù)合材料的性能[3-6]。此外，MWCNTs還可以細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)，加速水化過(guò)程或抑制裂紋的發(fā)展[7]。近年來(lái)，MWCNTs因其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性而被用來(lái)提高混凝土復(fù)合材料的耐高溫性能[8-11]。相關(guān)研究表明，MWCNTs增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料在高溫下的殘余力學(xué)性能和延性都有所提高[12-14]。盡管學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注MWCNTs增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的耐高溫性能，但大多研究集中在靜態(tài)學(xué)性能方面，高溫后MWCNTs增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料抗沖擊性能的研究相對(duì)較少。此外，隧道、地下、防護(hù)等特殊領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)面臨沖擊、爆炸、高溫等極端載荷的情況日趨增多[15]。因此，同時(shí)考慮高溫噴淋冷卻和沖擊載荷對(duì)混凝土復(fù)合材料性能的影響，利用MWCNTs提高混凝土材料抗高溫和抗沖擊性能具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

眾所周知，混凝土沖擊破碎的機(jī)理是一種由于外部荷載引起內(nèi)部裂紋形成、擴(kuò)展和貫通的能量耗散過(guò)程，并且此過(guò)程是不可逆的。在動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中，混凝土的破裂模式、數(shù)量和碎片分布便是其沖擊能量耗散過(guò)程的宏觀體現(xiàn)。因此，研究動(dòng)態(tài)荷載作用下混凝土的破裂特征不僅可以對(duì)其破裂程度、破壞過(guò)程、能耗機(jī)理、抗沖擊性能進(jìn)行全面而深入的分析、認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，而且還可以由此預(yù)測(cè)和判斷實(shí)際工程中混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的有效性[16-18]。諸多學(xué)者[19-20]基于分形理論，利用分形維數(shù)對(duì)混凝土復(fù)合材料在沖擊荷載下的破裂特征進(jìn)行了研究，并表明荷載作用下混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展與分布以及孔徑分布都具有明顯的分形特征[21-24]。也有部分學(xué)者對(duì)高溫后不同纖維增強(qiáng)混凝土的分形特性進(jìn)行了研究，并指出纖維的摻入對(duì)高溫后混凝土在沖擊載荷作用下的分形特性和能量耗散特征具有顯著影響。在溫度和纖維含量不變的情況下，纖維混凝土的能耗密度隨分形維數(shù)的增加呈線性增加，而在沖擊速度和溫度相同的情況下，纖維混凝土的能耗密度與分形維數(shù)之間沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。盡管纖維混凝土的分形特征已被廣泛研究，但是關(guān)于高溫噴淋冷卻后MWCNTs增強(qiáng)混凝土(以下統(tǒng)稱MWCNTs混凝土)在沖擊荷載作用下破裂分形特征的研究卻鮮有涉及。

基于此，本文采用50 mm分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)裝置對(duì)不同溫度(25 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃)及高壓噴淋冷卻(模擬實(shí)際消防降溫)后的MWCNTs混凝土進(jìn)行了沖擊壓縮試驗(yàn)，并研究了MWCNTs對(duì)高溫噴淋冷卻后混凝土在沖擊荷載作用下分形特征和能量耗散特性的影響，建立了高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土沖擊破裂分形維數(shù)與溫度、應(yīng)變速率、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、能耗及沖擊韌性之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料和試樣制備

試驗(yàn)使用的水泥為冀東牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5；由于沖擊試驗(yàn)試樣較小，所以選取的粗骨料粒徑為5～15 mm；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.87的河沙；為了增加混凝土的流動(dòng)性，根據(jù)實(shí)際情況加入了適量的聚羧酸高效減水劑；拌合水為西安市自來(lái)水；根據(jù)作者先前對(duì)MWCNTs的摻量和直徑對(duì)混凝土材料性能的研究結(jié)果，在本試驗(yàn)中摻入了0.08 wt%的直徑為10～20 nm 的MWCNTs。材料具體配比如表1所示，MWCNTs 的分散以及混合方式如圖1所示。

表1 混凝土材料配合比Tab.1 Mixture composition of concrete specimen

圖1 碳納米管分散Fig.1 Dispersion of multi walled carbon nanotubes

目前，對(duì)于SHPB沖擊試樣尺寸并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般基于SHPB設(shè)備桿的直徑并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而確定，但是為了消除摩擦力和慣性力的影響，試樣的長(zhǎng)徑比最好在控制在0.5～1.0內(nèi)[25-26]。本研究基于實(shí)驗(yàn)室SHPB儀器的實(shí)際情況，制備了長(zhǎng)徑比為0.7的圓柱體混凝土試樣(φ50×35)。試樣采用直徑為50 mm、高度為100 mm的ABS材質(zhì)的圓柱形模具澆筑而成。由于模具較小，為了確保試樣的密實(shí)度，采用分層澆筑振搗，并在室溫下靜置24 h后脫模。脫模后將其移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(25 ℃，相對(duì)濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d。然后用切割機(jī)將養(yǎng)護(hù)好的混凝土切割成35 mm高的試樣。切割后，為了滿足規(guī)范GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[27]對(duì)試樣平整度的要求，用打磨機(jī)對(duì)試樣兩個(gè)端面進(jìn)行精密打磨，用游標(biāo)卡尺測(cè)量起端面的平整度，保證平行度誤差小于0.05 mm，表面不垂直度小于0.05 mm，如圖2所示。

圖2 SHPB試驗(yàn)試樣制作Fig.2 SHPB test specimen preparation

準(zhǔn)備好的試樣分批放入SX2-8-10N箱式電阻爐中進(jìn)行加熱。電阻爐的膛爐尺寸為400 mm×250 mm×160 mm，額定電壓380 V，功率8 kW，最高加熱溫度1 000 ℃。加熱前為防止爆裂，先對(duì)試樣預(yù)熱10 min，然后以10 min/℃的速率加熱至目標(biāo)溫度恒溫2 h后，打開(kāi)爐門(mén)，取出試樣，采用水壓力為0.2 MPa的高壓水槍噴淋10 min后置于室內(nèi)自然冷卻至室溫。噴淋時(shí)試樣表面溫度降低迅速，噴淋后溫度有所回升，大約30～60 min后趨于穩(wěn)定。然后將試樣在室溫下靜置28 d以上待強(qiáng)度恢復(fù)穩(wěn)定[28-29]后采用SHPB進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。為了便于對(duì)比，同時(shí)準(zhǔn)備了相同工況下的普通混凝土試樣作為對(duì)照組，并在SHPB試驗(yàn)前測(cè)試了常溫下混凝土試樣的軸向抗壓強(qiáng)度，MWCNTs混凝土和普通混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度分別約為35 MPa和31 MPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

(1)

(2)

(3)

圖3 SHPB試驗(yàn)裝置組成Fig.3 SHPB test device

文獻(xiàn)[30]中指出，混凝土材料沖擊破裂的分形行為具有兩個(gè)臨界應(yīng)變率：一個(gè)是斷裂應(yīng)變率；一個(gè)是破裂應(yīng)變速率。當(dāng)?shù)陀跀嗔褢?yīng)變率時(shí)，由于沖擊能不足，混凝土試樣不會(huì)完全破碎，碎片大小分布具有很強(qiáng)的局部性，分形不能在整個(gè)尺度范圍內(nèi)定義。而當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)破裂應(yīng)變速率后，試樣幾乎粉碎化，此時(shí)，沖擊能量增加與否對(duì)分形維數(shù)沒(méi)有較大影響。當(dāng)應(yīng)變速率介于斷裂應(yīng)變率和破裂應(yīng)變速率之間時(shí)，混凝土的沖擊破裂的具有明顯的分形特征。由此得到的分形維數(shù)可以很好的表征混凝土的破裂程度。因此，通過(guò)前期多次基礎(chǔ)性測(cè)試試驗(yàn)，本文試驗(yàn)中設(shè)定沖擊氣壓分別為0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa，相應(yīng)子彈沖擊速度分別為7.19 m/s，8.20 m/s和9.52 m/s。試驗(yàn)時(shí)，為了確保入射桿、試樣和反射桿緊密接觸，微調(diào)入射桿與透射桿的位置，使二者軸線對(duì)齊。然后將兩端均勻涂抹了凡士林的試樣放到兩桿中間，通過(guò)調(diào)節(jié)沖擊氣壓使子彈獲得不同的撞擊速度。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，分別對(duì)每種工況下的3個(gè)試樣進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。

此外，由于混凝土的碎裂實(shí)際上是一個(gè)碎塊尺寸不斷縮小過(guò)程，因此，試樣的碎裂程度，在一定程度上可以通過(guò)細(xì)碎塊的含量來(lái)體現(xiàn)。所以，為了研究MWCNTs 混凝土的破裂程度和分形特征，本文收集了沖擊試驗(yàn)后試樣的殘?jiān)?，并在ZBSX-92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)上進(jìn)行了篩分。需要說(shuō)明的是，由于800 ℃高溫噴淋冷卻后大部分試樣表面凹凸不平，無(wú)法進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)(如圖4所示)。因此，本文僅對(duì)800 ℃以下高溫噴淋冷卻后的MWCNTs混凝土試樣進(jìn)行了沖擊和篩分試驗(yàn)。篩分粒徑從下往上依次為1.18 mm，2.36 mm，4.75 mm，9.5 mm，16 mm。篩分后對(duì)每個(gè)篩網(wǎng)殘余碎塊所占百分比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(所有碎片都通過(guò)16 mm的篩)，并通過(guò)計(jì)算ln[M(r)/MT]-lnr的關(guān)系得到了不同工況下的分形維數(shù)。

2 MWCNTs混凝土沖擊破裂分形特征

混凝土在沖擊荷載作用下的碎塊尺寸分布比較復(fù)雜，分形維數(shù)是一個(gè)可以評(píng)估其破裂程度的理想指標(biāo)?；炷恋臎_擊破裂分形維數(shù)與破碎塊數(shù)量、大小之間的關(guān)系可用式(4)表示[31-34]

(4)

式中：MT為碎片的總質(zhì)量；M(r)為粒徑小于r的碎片的累計(jì)質(zhì)量；Df為分形維數(shù)。

通過(guò)計(jì)算ln[M(r)/MT]和lnr擬合線的斜率q，就可以間接得到混凝土試樣的沖擊破裂分形維數(shù)Df，即，Df=3-q。分形維數(shù)越大，表示碎塊數(shù)目越多，尺寸越小，試樣破裂程度越高。

為了評(píng)估不同高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土與普通混凝土的的破裂程度差異，本文計(jì)算了每一級(jí)篩網(wǎng)上混凝土沖擊破碎塊的質(zhì)量占比，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著溫度的升高，混凝土試樣的破裂程度不斷增大，碎塊分布粒度逐漸減小。相比普通混凝土而言，高溫噴淋冷卻前后，MWCNTs混凝土試樣破裂程度都較小，大粒徑碎塊占比較大(4.75 mm以上)。此外，根據(jù)式(4)計(jì)算的ln[M(r)/MT]-lnr的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。由ln[M(r)/MT]-lnr關(guān)系得到的高溫噴淋冷卻后在沖擊荷載作用下MWCNTs混凝土的分形維數(shù)隨溫度和沖擊速度的變化如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，在25～600 ℃內(nèi)，在0.4 MPa，0.5 MPa和0.6 MPa的沖擊氣壓下，MWCNTs混凝土破裂分形維數(shù)分別在1.68～2.1，1.97～2.24，2.07～2.36和2.08 ～2.49內(nèi)，而普通混凝土破裂分形維數(shù)分別在1.8～2.31，1.97～2.29，2.11～2.44和2.28～2.5內(nèi)。由此可見(jiàn)，隨著沖擊氣壓和溫度的升高，混凝土沖擊破裂分形維數(shù)顯著增加。也就是說(shuō)溫度和加載速率越高，試樣的破裂程度越高。由圖7可知，混凝土沖擊破裂分形維數(shù)受應(yīng)變率效應(yīng)影響非常明顯。普通混凝土和MWCNTs混凝土的分形維數(shù)均隨應(yīng)變速率的增大而增大。說(shuō)明加載速率越高，試樣破裂程度越高，分形維數(shù)也就越大。

表2 不同溫度下各粒徑破碎塊質(zhì)量百分比(以%/0.6 MPa為例)Tab.2 Mass percentage of broken blocks of each particle size at different temperatures (%/0.6 MPa)

圖5 高溫噴淋后混凝土分形統(tǒng)計(jì)分析Fig.5 Fractal analysis of concrete after high temperature spraying

同時(shí)，上述數(shù)據(jù)也表明，在相同的應(yīng)變率速率下，高溫噴淋前后，MWCNTs混凝土的分形維數(shù)始終小于普通混凝土的分形維數(shù)，說(shuō)明MWCNTs混凝土的破裂程度低于普通混凝土的破裂程度，且溫度越高，二者的差異越明顯。以在0.4 MPa的沖擊氣壓下試樣分形維數(shù)的變化為例：與普通混凝土的分形維數(shù)相比，在常溫下MWCNTs混凝土的分形維數(shù)降低了6.67%，而當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，MWCNTs混凝土的分形維數(shù)降低了9.1%。

圖6 溫度對(duì)MWCNTs混凝土分形維數(shù)的影響Fig.6 Effect of temperature on fractal dimension of MWCNTs concrete

圖7 應(yīng)變率對(duì)MWCNTs混凝土分形維數(shù)的影響Fig.7 Effect of strain rate on fractal dimension of MWCNTs concrete

MWCNTs混凝土的分形維數(shù)小于普通混凝土的分形維數(shù)，分析原因是：MWCNTs的填充、橋接及晶核作用不僅改善了混凝土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混凝土的完整性、密實(shí)性和黏結(jié)性，而且其優(yōu)良的導(dǎo)熱性有利于分散加熱過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，降低由于局部溫度應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂。此外，隨著溫度的升高，MWCNTs端部缺陷增多，增強(qiáng)了其與水化產(chǎn)物之間的黏結(jié)，保證了混凝土的黏結(jié)性和整體性。這些因素導(dǎo)致MWCNTs混凝土在動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下裂紋萌生和擴(kuò)展的應(yīng)力水平相對(duì)較高，從而使其破裂程度和分形維數(shù)有所降低。

3 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和耗散能對(duì)分形維數(shù)的影響

3.1 MWCNTs混凝土分形維數(shù)與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

不同高溫和加載速率下，混凝土分形維數(shù)與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，在同一溫度下，普通混凝土和MWCNTs混凝土的分形維數(shù)隨動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增大而增大；在同一加載速率下，普通混凝土和MWCNTs混凝土的分形維數(shù)隨動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增大(200 ℃前)先增大后減小(200 ℃后)。從圖8中還可以看出，在既定的分形維數(shù)下，MWCNTs混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。比如在1.68～1.80的分形維數(shù)下，MWCNTs混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度比普通混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高了19.41%。也就是說(shuō)，要達(dá)到相似的破裂程度，MWCNTs混凝土需要消耗比普通混凝土更多的能量。換而言之，相同的溫度和加載速率下，MWCNTs混凝土的破裂程度小于普通混凝土的破裂程度。

圖8 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土分形維數(shù)與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between fractal dimension and dynamic compressive strength of MWCNTs concrete after high temperature spraying

上述變化是溫度軟化效應(yīng)和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)耦合作用的結(jié)果。在一定溫度下，加載速率越高，應(yīng)變率強(qiáng)化效果越好，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力越高，混凝土破損程度越高，破裂分形維數(shù)越大；在一定加載速率下，加熱溫度越高，混凝土內(nèi)部損傷程度越高，其基體性能越差，沖擊破損程度越高，破裂分形維數(shù)越大，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力越小。事實(shí)上，混凝土內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展本質(zhì)上是新表面積形成過(guò)程中能量耗散的過(guò)程。因此，在動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中，混凝土試樣累積的應(yīng)變能隨著加載速率的提高而增多。宏觀表現(xiàn)就是微裂紋不斷萌生和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)耗散能的增長(zhǎng)。但是由于動(dòng)態(tài)沖擊是相當(dāng)短的一個(gè)過(guò)程，由最小耗能原理可知，能耗的增加使得混凝土的動(dòng)強(qiáng)度得以提高，即應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。隨著動(dòng)強(qiáng)度的提高，裂紋擴(kuò)展的彌散性增強(qiáng)，導(dǎo)致試樣破裂程度加重，分形維數(shù)增大。但是，隨著溫度的升高，試樣逐漸酥化，溫度軟化效應(yīng)增強(qiáng)，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)相應(yīng)減弱，分形維數(shù)增長(zhǎng)值也隨著增大。而MWCNTs的摻入提高了混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，因此使其動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度得以提高，并在一定程度上可以限制了微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。從而削弱了溫度軟化效應(yīng)而提高了應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

3.2 MWCNTs混凝土分形維數(shù)與和沖擊韌性之間的關(guān)系

沖擊韌性，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的總面積，可以用來(lái)表征試樣在沖擊破裂過(guò)程中所消耗的能量[35](如圖9所示)。不同應(yīng)變速率下，混凝土分形維數(shù)與沖擊韌性之間的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，在同一溫度下，普通混凝土和MWCNTs混凝土的分形維數(shù)隨著沖擊韌性的增大而增大。由此可見(jiàn)，沖擊荷載除了對(duì)強(qiáng)度具有強(qiáng)化作用外，對(duì)韌性也具有同樣的強(qiáng)化效果。不同工況下普通混凝土和MWCNTs混凝土的分形維數(shù)隨著沖擊韌性的變化規(guī)律基本和其分形維數(shù)隨動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，原因亦同3.1節(jié)所述。

圖9 沖擊韌性計(jì)算示意圖Fig.9 Schematic diagram of impact toughness calculation

另外，分形維數(shù)與沖擊韌性之間的變化規(guī)律可用式(5)做進(jìn)一步闡述。由式(5)可知，試樣碎片的相對(duì)降低量(-dr/rn)與耗散總能WS是呈正比的。也就是說(shuō)大的碎片更容易破裂成小的碎片，而小的碎片較難再一步破裂，并且需要從外部獲得更多的能量。這也可以解釋分形維數(shù)隨著沖擊韌性近似呈線性增加的原因。

(5)

式中：WS為耗散總能；C為常數(shù)；n為與破裂程度相關(guān)的系數(shù)。

圖10 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土分形維數(shù)與沖擊韌性之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between fractal dimension and impact toughness of MWCNTs concrete after high temperature spraying

3.3 MWCNTs混凝土分形維數(shù)與耗散能之間的關(guān)系

對(duì)外部沖擊能量耗散程度的不同以及沖擊破裂形態(tài)的改變，是不同溫度和沖擊氣壓下混凝土沖擊破裂特性的內(nèi)因和宏觀表征[36-37]。因此，沖擊破裂過(guò)程中的混凝土試樣的耗散能與其破碎分形維數(shù)之間也必然存在一定的相關(guān)性。

在沖擊過(guò)程中，外部傳遞給試樣的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了試樣內(nèi)部的應(yīng)變能，這個(gè)過(guò)程包括能量的輸入、累計(jì)、耗散和釋放4個(gè)階段。SHPB試驗(yàn)裝置包括入射桿、反射桿和投射桿，每個(gè)桿子傳輸?shù)哪芰考礊槿肷淠躓I(t)、反射能WR(t)和透射能WT(t)。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土試樣所耗散的能量WS(t)可以通過(guò)式(6)獲得

WS(t)=WI(t)-WR(t)-WT(t)

(6)

其中，根據(jù)一維彈性波理論，WI(t)，WR(t)和WT(t)可以分別通過(guò)式(7)計(jì)算

(7)

式中：C為桿中的彈性波速；E為桿的楊氏模量；A為桿的橫截面積；σI(t)，σR(t)，σT(t)為入射應(yīng)力、反射應(yīng)力和透射應(yīng)力；εI(t)，εR(t)，εT(t)為入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變。

將式(7)代入式(6)則變?yōu)?/p>

(8)

圖11給出了不同溫度下分形維數(shù)與耗散能之間的關(guān)系。由圖11可知，二者近似線性增長(zhǎng)。在同一溫度下，分形維數(shù)隨著耗散能的增大而不斷增大，說(shuō)明試樣吸收的能量越多，裂紋越發(fā)育充分，試樣破裂程度越大；在同一沖擊氣壓下，隨著溫度的升高，同一分形維數(shù)值對(duì)應(yīng)的耗散能不斷減小，但在200 ℃時(shí)，隨著試樣耗散能逐漸接近并高于常溫下(25 ℃)的數(shù)值，分形維數(shù)不斷增大。當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，相同耗散能下的試樣分形維數(shù)則明顯增大，表明溫度對(duì)試樣的損傷軟化效應(yīng)隨著溫度的升高而越發(fā)顯著。分析原因：①混凝土在高溫作用下其內(nèi)部孔隙中的水分不斷蒸發(fā)導(dǎo)致孔壓力增大，最終超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致孔壁破裂產(chǎn)生微裂紋，溫度越高，孔隙水蒸發(fā)速度和面積也越大，混凝土開(kāi)裂的程度越嚴(yán)重，開(kāi)裂的面積也越廣泛；②骨料和水泥的不同步膨脹差異會(huì)隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致二值之間的界面產(chǎn)生的裂紋增多；③C-S-H和Ca(OH)2等水化產(chǎn)物也隨著溫度的升高而不斷分解導(dǎo)致混凝土試樣內(nèi)部初始缺陷(孔隙、初始裂紋等)不斷擴(kuò)大。這些由于溫度作用產(chǎn)生的裂紋不僅破壞了混凝土的整體性，降低了混凝土基體的強(qiáng)度，而且會(huì)在沖擊荷載下快速發(fā)展貫通，導(dǎo)致其破裂程度加劇。但是，添加了MWCNTs后，混凝土高溫噴淋冷卻后在沖擊荷載作用下的能耗特性隨分形維數(shù)變化的趨勢(shì)明顯比普通混凝土的變化大，當(dāng)試樣的分形維數(shù)在1.68～1.95內(nèi)時(shí)，MWCNTs混凝土的能耗增加了45.65%，而普通混凝土的能耗僅增加了5.98%。原因同上兩節(jié)所述一致，MWCNTs的摻入不僅強(qiáng)化了混凝土的基體，提高其對(duì)溫度的抵抗能力，而且其橋接和拔出作用能抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，在沖擊荷載下MWCNTs混凝土比普通混凝土消耗的沖擊能量多，且破裂程度低。

圖11 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土分形維數(shù)與耗散能之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between fractal dimension and dissipated energy of MWCNTs concrete after high temperature spraying

4 MWCNTs對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能的增強(qiáng)機(jī)理

MWCNTs混凝土不僅具有較低的孔隙率，而且具有比普通混凝土更細(xì)的孔結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)镸WCNTs 的加入填充了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔及水化產(chǎn)物之間的層間孔，并能夠橋接微裂紋，從而不僅降低了孔隙率，還降低了孔隙之間的連通性。因此，與普通混凝土相比，MWCNTs混凝土具有更高的密實(shí)度、黏結(jié)性和整體性，這對(duì)于降低高溫后混凝土在沖擊荷載下的破裂程度十分有利。如圖12所示，在溫度和沖擊荷載作用下，普通混凝土的破裂程度非常嚴(yán)重，分析原因：普通混凝土內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展由于無(wú)法得到增韌纖維的抑制在較小的沖擊荷載下便迅速貫通。起裂點(diǎn)主要集中在混凝土試樣的中部，然后迅速向周邊擴(kuò)展。但是摻入了MWCNTs后，由于試樣內(nèi)部MWCNTs可以有效橋接微裂紋，延緩其在荷載作用下的進(jìn)一步擴(kuò)展，因此MWCNTs增強(qiáng)混凝土的破裂程度并沒(méi)有普通混凝土那樣嚴(yán)重。此外，與沒(méi)有摻入MWCNTs的普通混凝土相比，MWCNTs混凝土在沖擊荷載下具有更好的能量耗散能力，特別是在高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土的能耗優(yōu)勢(shì)更加明顯，這也是其破裂程度低于普通混凝土的一個(gè)原因。

圖12 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土和普通混凝土在沖擊荷載下的破裂形態(tài)對(duì)比(以400 ℃為例)Fig.12 Comparison of crushing mode of MWCNTs concrete and plain concrete under impact loading after high temperature spraying(400 ℃)

另外，如圖13所示，摻入MWCNTs后，三維亂向分布的MWCNTs會(huì)在試樣內(nèi)部形成一個(gè)微加筋系統(tǒng)，不僅填充了孔隙，降低了試樣的孔隙率，提高了試樣的密實(shí)度，還能有效分散熱應(yīng)力，降低試樣內(nèi)部的溫度梯度，使得試樣在凝結(jié)硬化過(guò)程中的收縮裂紋以及高溫下的溫度裂紋得到有效約束，從而降低了混凝土試樣的初始損傷程度，使得MWCNTs混凝土擁有比普通混凝土更高的基體強(qiáng)度。所以，在沖擊荷載作用下，一方面，MWCNTs混凝土內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展都得到了抑制，使得試樣內(nèi)部起裂點(diǎn)相對(duì)較少(如圖14所示)，裂紋擴(kuò)展相對(duì)緩慢；另一方面，在沖擊過(guò)程中，要造成相同的破裂程度，MWCNTs混凝土需要消耗更多的能量。最終使得高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土在沖擊荷載作用下的能耗、韌性和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能都得到了提升。

圖13 MWCNTs對(duì)混凝土在高溫噴淋-沖擊荷載作用下的強(qiáng)化機(jī)理Fig.13 Strengthening mechanism of MWCNTs on concrete under high temperature spray-impact load

圖14 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土和普通混凝土在沖擊荷載下的微觀形貌對(duì)比Fig.14 Micromorphology comparison of MWCNTs concrete and plain concrete under impact loading after high temperature spraying

5 結(jié) 論

本文采用SHPB試驗(yàn)研究了高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土在沖擊荷載下的破裂分形特征，探究了MWCNTs對(duì)高溫后混凝土在沖擊荷載作用下的性能增強(qiáng)機(jī)理?；谝陨涎芯浚瑢⑺媒Y(jié)論總結(jié)如下：

(1) 在沖擊荷載作用下，高溫噴淋冷卻混凝土沖擊破碎塊的分形維數(shù)隨溫度和應(yīng)變速率的升高而增大。分形維數(shù)的變化實(shí)質(zhì)上取決于混凝土內(nèi)部裂紋的萌生和擴(kuò)展。高溫噴淋會(huì)加速混凝土微觀結(jié)構(gòu)的破壞程度，使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋，破壞試樣的完整性和黏結(jié)性，從而降低基體的強(qiáng)度。在沖擊荷載下，一方面溫度引起的微裂紋不斷擴(kuò)展；另一方面新裂紋也不斷萌生，從而進(jìn)一步加劇了混凝土破裂程度。

(2) 高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土在沖擊載荷作用下的破裂是一個(gè)外能作用下的分形演化過(guò)程。因此，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性、能耗與分形維數(shù)之間存在一定聯(lián)系。隨著沖擊破裂分形維數(shù)的增加，MWCNTs 混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和能耗均有所增加。在分形維數(shù)相近的情況下，高溫噴淋冷卻后MWCNTs混凝土試樣的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和能耗均小于其在常溫下的數(shù)值。

(3) MWCNTs混凝土的破裂程度和分形維數(shù)比普通混凝土的小，但其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和能耗均比普通混凝土的大。這主要是因?yàn)镸WCNTs的摻入不僅有利于提高混凝土的密實(shí)度和黏結(jié)性，還有助于加速溫度應(yīng)力的傳遞，從而抑制了溫度裂紋的萌生和擴(kuò)展；在沖擊荷載下，高強(qiáng)、高韌的MWCNTs在試樣內(nèi)部發(fā)揮了有效的裂紋橋接作用，增加了沖擊能量的耗散，從而降低了試樣的沖擊破裂程度，提高了其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性，使其展現(xiàn)出比普通混凝土更加優(yōu)異的抗沖擊性能。