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Gao F.F., Tian W., Wang W. D. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.130183
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https://authors.elsevier.com/c/1gJhT3O1E1Qj5-
Highlight
Part.1
研 究 背 景
纳米材料和纳米技术的发展为混凝土复合材料带来了新的发展潜力。在许多纳米材料中，MWCNT因其优异的性能而备受关注。相关研究表明，在特定的含量和直径范围内，MWCNT可以通过其填充、桥接和成核效应改善混凝土复合材料的性能。此外，MWCNT也可以细化孔隙结构，加速水化过程或抑制裂缝的发展。近年来，由于MWCNT具有优异的热稳定性和导热性，也被用来提高混凝土复合材料的耐高温性能。相关研究表明，高温后，MWCNT增强混凝土的力学性能得到显著改善。然而，尽管学者们开始关注MWCNT增强混凝土的耐高温性能，但大多数研究都集中在静态载荷下的力学性能，而动态冲击载荷下的力学性能的研究却鲜有涉及。
基于此，本文使用50 mm分离的霍普金森压杆装置（SHPB）对高温后处理后的MWCNT增强混凝土进行了冲击压缩试验，探讨了冲击气压和温度对其动态破坏模式、碎片尺寸分布和冲击破碎分形维数的影响，并基于高温后MWCNT增强混凝土的冲击破碎分形维数、动态抗压强度及冲击能耗之间的关系，讨论了MWCNT增强混凝土优异的抗冲击性能。
Part.2
试验材料和方法
本试验所用材料包括普通硅酸盐水泥P.O 42.5、粒径为5-15 mm的碎石、河砂、聚羧酸盐高效减水剂、自来水、MWCNT和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。在制备混凝土试样之前，采用分散剂PVP和超声波仪制备了均匀分散的MWCNTs悬浮液。PVP可以增加MWCNT的亲水性，超声处理可以打破MWCNT之间的强大范德华力。在两者的联合处理下，可以制备具有均匀分散性的MWCNTs悬浮液。MWCNT的具体分散过程如图1所示。
图1 MWCNT分散液制备过程
根据实验室仪器的实际情况，制作了φ50 mm×35 mm圆柱体MWCNT增强混凝土试样，试样的长径比为0.7。此外，为了便于比较，制备了不含MWCNT的普通混凝土试样作为对照组。
高温试验使用仪器为SX2-8-10N箱式电阻炉。加热目标温度分别为200℃、400℃、600℃和800℃。高温后采用了高压喷淋冷却进行降温，喷淋时长为10 min，喷淋后将试样放在实验室中自然冷却至室温。
SHPB
Device
冲击试验采用了杆径为50 mm的SHPB系统，如左图2所示。冲击气压力分别设置为0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa。此外，在高温前后，选取了代表性试样进行了CT和SEM观测。
为了比较高温后MWCNT混凝土和普通混凝土试样在冲击载荷下的破碎程度，本文使用ZBSX-92A标准振动筛机对冲击碎片进行了筛分试验，根据筛分结果，计算了试样的冲击破碎分形维数。
说明
800℃后，大多数试样的表面由于剥落变得凹凸不平（如下图3所示），无法进行SHPB试验，因此，只对800℃以下高温处理的试样进行了SHPB和筛分试验。
图3 800℃后试样的外观
Part.3
试验结果与讨论
冲击破碎模式
下图4为MWCNT混凝土和普通混凝土试样在不同温度和应变率下的失效模式对比。从图中可以看出，在动态冲击载荷作用下，高温后混凝土的破碎模式明显受到应变率效应的影响。在不同温度下，随着应变速率的增加，MWCNT混凝土和普通混凝土试样的碎片尺寸逐渐由大变小，破碎程度不断增加。此外，对比发现，MWCNT混凝土的碎片的尺寸明显大于普通混凝土，表明，MWCNT混凝土似乎比普通混凝土具有更好的抗冲击性。这一点在下列分析中得到了进一步的确证。
图4 冲击破碎模式对比
碎片尺寸分布
图5和图6为破碎块的粒度分布及其在每层筛网上的累积质量分布。从图中可以看出，随着温度和冲击气压的增加，碎片尺寸不断缩小，试样破碎更为彻底。当温度和冲击气压较低时，试样的压碎程度相对较小，大颗粒尺寸碎片（＞4.75 mm）的占比较大，表明混凝土试样中形成的贯穿裂缝很少，在动荷载下破坏不充分。当温度和冲击气压较高时，试样的压碎程度较大，小颗粒碎片（<4.75mm）的占比在600℃以上迅速增加，表明在动态载荷下混凝土试样的内部裂纹密度增加，试样被切割成细颗粒。最值得注意的是，MWCNT混凝土碎片中的小尺寸（<4.75mm）碎片比例小于普通混凝土，尤其是小于2.36 mm的碎片含量减少了19.33%-25.39%，表明MWCNT混凝土在高温下的冲击破碎程度明显弱于普通混凝土，换言之，MWCNT的添加有助于提高高温后混凝土的抗冲击性能。
图5 代表性筛分结果对
图6 碎片的累积质量百分比对比
★
此外，从图7可以看出，碎片的质量比例分布曲线类似于“S”形。随着温度和冲击气压的增加，质量分布从离散变为均匀，陡峭的“S”曲线趋于平坦，表明混凝土试样的冲击破碎程度与温度荷载和冲击荷载呈正相关。然而，MWCNT混凝土试样的“S”曲线的变化差异小于普通混凝土，表明尽管在高温和高加载速率下混凝土的冲击损伤严重，但MWCNT的加入却显著削弱了试样压碎程度。这也进一步反映了MWCNT在提高混凝土的耐高温性和抗冲击性方面的优势。
图7 碎片的尺寸-质量分布曲线
分形维数
上式中，MT是试样的质量，M(r)是粒径小于r的碎片的质量，Df是分形维数。根据上式可知，Df与混凝土碎片的尺寸和质量比例有关。
如图8所示，在不同的工况下，MWCNT混凝土和普通混凝土的ln[M(r)/MT]-lnr曲线呈现线性增长关系。拟合曲线的相关系数R2大于0.9，表明试样的破碎分布符合分形定义。此外，ln[M(r)/MT]-lnr曲线斜率不断减小，表明小颗粒碎片的比例增加，混凝土的破碎程度加剧，分形维数增大。
图8 ln[M(r)/MT]-lnr曲线：(a) 25℃, (b) 200℃, (c) 400℃, (d) 600℃
Df和温度之间的关系如图9所示。在25℃-600℃的温度范围内，破碎MWCNT混凝土的Df分别为1.68-2.1、1.97-2.11、2.07-2.24及2.22-2.38，而破碎普通混凝土的Df则分别为1.8-2.31、1.97-2.32、2.14-2.33及2.28-2.42，可见，在不同温度下，破碎MWCNT混凝土的Df始终低于普通混凝土，表明MWCNT的加入降低了混凝土试样的破碎程度和Df值。
图9 温度对分形维数的影响
Df和应变率之间的关系如图10所示。所有试样的Df随应变率的增加而增加，表明混凝土的压碎程度与加载率成正比。在研究的应变率范围内，普通混凝土和MWCNT混凝土的Df分别保持在1.8-2.42和1.68-2.38之间。但在相同的应变率下，MWCNT混凝土的Df略小于普通混凝土。也就是说，MWCNT混凝土压碎程度比普通混凝土低，这与上几节中观察到的结果一致。
图10 应变率对分形维数的影响
细观和宏观分形维数的对比
MWCNT混凝土的孔隙分形维数Dp高于普通混凝土，表明MWCNT混凝土的孔隙结构比普通混凝土更复杂。
随着温度的升高，Dp逐渐增加，表明孔隙结构的恶化程度随着温度的增加而加剧。然而，与普通混凝土相比，MWCNT混凝土的Dp随温度的增加相对较缓，表明MWCNT可以抑制高温下孔结构的劣化进程。
此外，Dp的变化与Df的变化规律完全相反。在恒定应变率下，MWCNT混凝土的Dp值高于普通混凝土，但其的Df值低于普通混凝土。Dp值与孔隙细度有关，孔隙结构越细，Dp值越高。然而，Df值则由碎片颗粒的大小决定。微粒越多，Df值越大。因此，孔隙结构越细，动态冲击荷载下混凝土的压碎程度便越小，这使得Dp和Df呈现出完全相反的变化。
图11 细观和宏观分形维数的对比
MWCNTs提高混凝土抗冲击性能的机理探讨
在本研究的各种工况下，普通混凝土的损伤程度远高于MWCNT混凝土，这导致其分形维数也大于MWCNT混凝土。添加MWCNT后，三维无序分布的MWCNT在试样中形成微增强系统，不仅填充了孔隙，降低了孔隙率，提高了试样的密实度，也有效地限制了冷凝硬化过程中的收缩裂缝和高温下的温度裂缝（如图12所示）。因此，混凝土试样的初始损伤程度降低，MWCNT混凝土获得了比普通混凝土更高的基体强度（如图13a和13b所示）。因此，随着冲击气压的增加，普通混凝土中裂纹的数量和尺寸迅速增加。但受MWCNT的桥接和拔出效应的影响，MWCNT混凝土的裂纹扩展受到抑制（如图14所示）。
图12 MWCNT对高温混凝土抗冲击性能的强化机理
此外，MWCNT混凝土在冲击过程中需要更多外部能量才能产生与普通混凝土相同的破碎程度（如图13c和13d所示），这对提高MWCNT混凝土的能耗能力是非常有利的。同时，如图12和图14所示，由于MWCNT可以促进混凝土中热应力的均匀分布，因此，MWCNT混凝土的热裂纹相对较少，这也是提高其抗冲击性的核心因素之一。
图13 分形维数与动态抗压强度及能耗之间的关系
图14 MC和PC开裂程度对比
Part.4
结论
（1）MWCNT、的加入可以有效降低高温后混凝土在冲击载荷下的冲击破碎程度，尤其是小于2.36 mm的碎片比例降低19.33%-25.39%。
（2）混凝土的冲击破碎分形维数Df随温度和应变率的增加而增加。然而，MWCNT的加入显著降低了高温后混凝土的冲击破碎Df值。
（3）MWCNT提高了孔结构对温度和冲击载荷的抵抗力。因此，MWCNT混凝土的孔隙分形维数Dp高于普通混凝土，且与冲击破碎分形维数Df呈相反变化趋势。
（4）动态抗压强度、能耗与冲击破碎分形维数之间存在非线性正相关。MWCNT使混凝土的动态抗压强度和能耗随着冲击破碎分形维数的变化趋势更加剧烈。
（5）高温加速了混凝土微观结构的破坏，导致严重的内部开裂，从而破坏了混凝土的完整性和黏结性，但是高温活化的MWCNT可以更好地粘结基体，其桥接效应也可以有效地限制裂缝的扩展，从而提高了高温后混凝土的抗冲击性能。
Part.5
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高芳芳，女，甘肃人，讲师，主要从事纳米纤维混凝土细观力学研究。
2018.09-2022.06，长安大学建筑工程学院结构工程专业，博士研究生
2022.06-至今，兰州理工大学土木工程学院，讲师
作者简介
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[15].Wang Wen-Da, Han Lin-Hai, Uy Brian. Experimental behaviour of steel reduced beam section (RBS) to concrete- filled CHS column connections. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(5): 493-504
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[17].王文达，韩林海，游经团．方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点滞回性能的实验研究，土木工程学报，2006，39(9)：17-25
[18].王文达，韩林海，陶忠．钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能的试验研究．建筑结构学报，2006，27(3)：48-58
Part.5
组合结构全寿命周期性能
[1].Wang Wen-Da*, Ji Sun-Hang, Shi Yan-Li. Experimental and numerical investigations on concrete-filled double-tubular slender columns under axial and eccentric loading. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 201: 107714.
[2].Jia Zhi-Lu, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li, Xian Wei. Performance of steel-reinforced concrete-filled square steel tubular members under sustained axial compression loading. Engineering Structures, 2022, 263: 114464(1-17), DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114464
[3].贾志路，史艳莉，王文达*，鲜威．钢管初应力对内配型钢的圆钢管混凝土柱受压性能影响．建筑结构学报，2022，43(6): 63-74, DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2020.0796
[4].Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Wang Wen-Da*, Xian Wei. Compression-bending behaviour of steel-reinforced concrete-filled circular steel tubular columns with preload. Structures, 2022, 36: 892-911, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.12.056
[5].Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*. Torsional behaviour of concrete-filled circular steel tubular members under coupled compression and torsion. Structures. 2021, 34: 931-946, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.08.026
[6].王文达*，纪孙航，史艳莉，张宸．内配型钢方钢管混凝土构件压弯剪性能研究．土木工程学报，2021，54(1): 76-87
[7].Shi Yan-Li, Jia Zhi-Lu, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Tan Ee Loon. Experimental and numerical study on torsional behaviour of steel-reinforced concrete-filled square steel tubular members. Structures, 2021, 32: 713-730, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.03.045
[8].Wang Wen-Da*, Ji Sun-Hang, Xian Wei, Shi Yan-Li. Experimental and numerical investigations of steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under compression-bending-shear loads. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 181: 106609 (1-20), DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106609
[9].Wang Wen-Da*, Xian Wei, Hou Chao, Shi Yan-Li. Experimental investigation and FE modelling of the flexural performance of square and rectangular SRCFST members. Structures, 2020, 27: 2411-2425, DOI: 10.1016/j.istruc.2020.08.050
[10].Wang Wen-Da*, Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Tan Ee Loon. Performance of steel-reinforced circular concrete-filled steel tubular members under combined compression and torsion. Journal of Constructional Steel Research, 2020, 173: 106271(1-16), DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106271
[11].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Mechanical behaviour of circular steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under pure bending loads. Structures, 2020, 25: 8-23, DOI: 10.1016/j.istruc.2020.02.017
[12].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Experimental performance of circular concrete-filled steel tubular members with inner profiled steel under lateral shear load. Engineering Structures, 2019, 201: 109746(1-17). DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109746
[13].史艳莉*，周绪红，鲜威，王文达．无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究．工程力学，2018，35(12): 25-33
[14].王文达，于清．混凝土浇筑过程中方钢管柱的力学性能．清华大学学报(自然科学版)，2013，53(1):6-11
Part.6
中空夹层钢管混凝土结构
[1].Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang. Torsional behaviour of tapered CFDST members with large void ratio. Journal of Building Engineering, 2022, 52: 104434, DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104434
[2].Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Fan Jia-Hao. Axial compressive behaviour of tapered CFDST stub columns with large void ratio. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 191: 107206(1-14), DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107206
[3].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Shi Yan-Li. Shear response of circular-in-square CFDST members: Experimental investigation and finite element analysis. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 190: 107160(1-21), DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107160
[4].史艳莉，纪孙航，王文达*，张宸，范家浩．大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究．土木工程学报，2022，55(1): 75-88, DOI: 10.15951/j.tmgcxb.2022.01.003
[5].Wang Wen-Da*, Fan Jia-Hao, Shi Yan-Li, Xian Wei. Research on mechanical behaviour of tapered concrete-filled double skin steel tubular members with large hollow ratio subjected to bending. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 182: 106689(1-18), DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106689
[6].史艳莉，张超峰，鲜威，王文达*．圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究．建筑结构学报，2021，42(5): 155-164+176,DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2019.0023
Part.7
子程序开发等
[1].Tao Zhong*, Katwal Utsab, Uy Brian, Wang Wen-Da. Simplified nonlinear simulation of rectangular concrete-filled steel tubular columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2021, 147(6): 04021061(1-16), DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003021
[2].Shi Yan-Li*, Li Hua-Wei, Wang Wen-Da, Hou Chao. A fiber model based on secondary development of ABAQUS for elastic-plastic analysis. International Journal of Steel Structures, 2018, 18(5): 1560-1576
[3].Katwal Utsab, Tao Zhong*, Hassan Md Kamrul, Wang Wen-Da. Simplified numerical modeling of axially loaded circular concrete-filled steel stub columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2017, 143(12): 04017169(1-12)
[4].王文达*，魏国强．基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2015，35(6):30-35
[5].王文达*，王景玄，周小燕．基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析．工程力学，2014，31(9): 142-151
[6].王文达*，杨全全，李华伟．基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2014, 33(16):142-149
[7].李华伟，王文达*．ABAQUS二次开发在钢管混凝土结构有限元分析中的应用．建筑结构学报，2013，34(s1):353-358
Part.8
装配式钢筋混凝土结构
[1].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735(1-18)
Part.9
新型高性能结构材料：
[1] Gao Fang-Fang, Tian Wei, Wang Wen-Da*. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183.
编辑：高芳芳 郑龙
审核：王文达
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王文达课题组
微信号｜wangwd_group
兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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