本文將為您分享同濟大學(xué)蔣正武教授可持續(xù)混凝土研究團隊近日于Cement and Concrete Composite雜志（2021-2022最新IF=9.930，JCR一區(qū)，Top期刊）發(fā)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。本文第一作者為同濟大學(xué)何倍博士，通訊作者為同濟大學(xué)蔣正武教授，合作作者為加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Nemkumar Banthia教授。本項研究由同濟大學(xué)蔣正武教授可持續(xù)混凝土團隊發(fā)起，并在加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Nemkumar Banthia教授合作下共同完成。

超低溫環(huán)境下混凝土的加載破壞呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。為此，本文提出了混凝土在超低溫環(huán)境下特有的“超低溫溫脆效應(yīng)”概念，并基于聲發(fā)射技術(shù)評價了UHPC在-170℃~20℃范圍內(nèi)的抗彎強度演變及溫脆系數(shù)規(guī)律。取得的原創(chuàng)性成果如下：

（1）超低溫下的UHPC抗彎強度極大提高，強度增幅在0℃~-80℃和-110℃~-170℃范圍內(nèi)變化不大。當(dāng)溫度低于-110℃后，UHPC的荷載-撓度曲線則由近乎光滑的曲線逐漸變?yōu)殇忼X形曲線。

（2）隨著溫度的降低，溫脆指數(shù)呈現(xiàn)出與韌性相反的規(guī)律。超低溫下UHPC的脆性與強度并非線性關(guān)聯(lián)，溫脆指數(shù)較常溫而言明顯增大。

（3）隨著溫度的降低，UHPC在加載破壞過程中的聲發(fā)射信號特征也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，其反映了試件在破壞過程中的聲發(fā)射信號變化，其與力學(xué)曲線具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

本研究是基于本課題組自行設(shè)計并開發(fā)出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“極端溫度環(huán)境下混凝土力學(xué)性能測試系統(tǒng)”完成的，其主要由萬能材料試驗機、高溫/超低溫環(huán)境箱、聲發(fā)射采集系統(tǒng)等部分組成，可實現(xiàn)-196℃~350℃溫度范圍內(nèi)的混凝土材料各項力學(xué)性能測試。

圖1 測試裝置圖

超低溫環(huán)境下混凝土的加載破壞呈現(xiàn)出較常溫破壞時更明顯的脆性斷裂特征，且其脆性指數(shù)與溫度的變化密切相關(guān)，即“溫脆效應(yīng)”。為揭示超低溫作用對混凝土脆性的影響，本文基于荷載-撓度曲線包圍下的能量演化機制，提出了可用于評價因溫度變化影響混凝土脆性的方法。

圖2 典型UHPC在加載破壞時的能量分布和轉(zhuǎn)換示意圖

總體來說，試著溫度的降低，試件在峰值破壞點前后的曲線斜率均逐漸變陡，而峰值強度逐步增大且曲線下的面積也逐漸累計增多，破壞強度呈現(xiàn)區(qū)間式分布。常溫下，UHPC在荷載作用下變形穩(wěn)定，整體曲線光滑，破壞荷載最小且裂后荷載衰減曲線平緩。0 ~ -80℃范圍內(nèi)，UHPC的破壞強度隨溫度的降低而逐漸增大，破壞曲線的形態(tài)各異，且部分曲線初步呈現(xiàn)出微鋸齒形態(tài)。-110℃ ~ -170℃范圍內(nèi)，UHPC的破壞強度隨溫度的降低再次急劇增大，此時的荷載撓度曲線呈現(xiàn)出明顯的鋸齒形。

圖3 UHPC在不同超低溫彎曲載荷下的載荷-撓度曲線：（a）20°C；（b） 0°C；（c） -20°c；（d） -50°C；（e） -80°C；（f） -110°C；（g） -140°C；（h） -170°C

不同破壞階段的脆性指數(shù)變化規(guī)律并不完全一致，而根據(jù)不同階段脆性指數(shù)復(fù)合得到的超低溫溫脆指數(shù)表明超低溫下的脆性指數(shù)相較于常溫均得到提高。具體說來，隨著溫度的持續(xù)降低，UHPC的脆性指數(shù)整體呈現(xiàn)出先增加、再降低、最后增加的態(tài)勢。

圖4  UHPC在不同超低溫彎曲載荷下的脆性指數(shù)

本項研究成果受到國家自然科學(xué)基金、科技部“十四五”重點研發(fā)計劃、工信部“2021產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺項目”等支持。蔣正武教授可持續(xù)混凝土團隊多年來一直致力低碳先進土木工程材料可持續(xù)化理論與方法的研究主線，近5年累計在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊發(fā)表SCI論文70余篇。

目前論文已經(jīng)在線發(fā)表在Elsevier出版集團Cement & Concrete Composites雜志，歡迎大家在以下鏈接下載瀏覽：

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946523001300