声发射法评价超高性能混凝土在超低温弯曲载荷下的温脆性效应

本文将为您分享同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Cement and Concrete Composite杂志（2021-2022最新IF=9.930，JCR一区，Top期刊）发表的最新研究成果Thermal-dependent brittleness effect of ultra-high performance concrete exposed to cryogenic flexural loads by acoustic emission evaluation。本文第一作者为同济大学何倍博士，通讯作者为同济大学蒋正武教授，合作作者为加拿大英属哥伦比亚大学Nemkumar Banthia教授。本项研究由同济大学蒋正武教授可持续混凝土团队发起，并在加拿大英属哥伦比亚大学Nemkumar Banthia教授合作下共同完成。

超低温环境下混凝土的加载破坏呈现出脆性断裂特征。为此，本文提出了混凝土在超低温环境下特有的“超低温温脆效应”概念，并基于声发射技术评价了UHPC在-170℃~20℃范围内的抗弯强度演变及温脆系数规律。取得的原创性成果如下：

（1）超低温下的UHPC抗弯强度极大提高，强度增幅在0℃~-80℃和-110℃~-170℃范围内变化不大。当温度低于-110℃后，UHPC的荷载-挠度曲线则由近乎光滑的曲线逐渐变为锯齿形曲线。

（2）随着温度的降低，温脆指数呈现出与韧性相反的规律。超低温下UHPC的脆性与强度并非线性关联，温脆指数较常温而言明显增大。

（3）随着温度的降低，UHPC在加载破坏过程中的声发射信号特征也呈现出不同的变化趋势，其反映了试件在破坏过程中的声发射信号变化，其与力学曲线具有良好的对应关系。

本研究是基于本课题组自行设计并开发出的具有自主知识产权的“极端温度环境下混凝土力学性能测试系统”完成的，其主要由万能材料试验机、高温/超低温环境箱、声发射采集系统等部分组成，可实现-196℃~350℃温度范围内的混凝土材料各项力学性能测试。

图1 测试装置图

超低温环境下混凝土的加载破坏呈现出较常温破坏时更明显的脆性断裂特征，且其脆性指数与温度的变化密切相关，即“温脆效应”。为揭示超低温作用对混凝土脆性的影响，本文基于荷载-挠度曲线包围下的能量演化机制，提出了可用于评价因温度变化影响混凝土脆性的方法。

图2 典型UHPC在加载破坏时的能量分布和转换示意图

总体来说，试着温度的降低，试件在峰值破坏点前后的曲线斜率均逐渐变陡，而峰值强度逐步增大且曲线下的面积也逐渐累计增多，破坏强度呈现区间式分布。常温下，UHPC在荷载作用下变形稳定，整体曲线光滑，破坏荷载最小且裂后荷载衰减曲线平缓。0 ~ -80℃范围内，UHPC的破坏强度随温度的降低而逐渐增大，破坏曲线的形态各异，且部分曲线初步呈现出微锯齿形态。-110℃ ~ -170℃范围内，UHPC的破坏强度随温度的降低再次急剧增大，此时的荷载挠度曲线呈现出明显的锯齿形。

图3 UHPC在不同超低温弯曲载荷下的载荷-挠度曲线：（a）20°C；（b） 0°C；（c） -20°c；（d） -50°C；（e） -80°C；（f） -110°C；（g） -140°C；（h） -170°C

不同破坏阶段的脆性指数变化规律并不完全一致，而根据不同阶段脆性指数复合得到的超低温温脆指数表明超低温下的脆性指数相较于常温均得到提高。具体说来，随着温度的持续降低，UHPC的脆性指数整体呈现出先增加、再降低、最后增加的态势。

图4 UHPC在不同超低温弯曲载荷下的脆性指数

本项研究成果受到国家自然科学基金、科技部“十四五”重点研发计划、工信部“2021产业技术基础公共服务平台项目”等支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力低碳先进土木工程材料可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文70余篇。