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聲發射技術在表征不同溫度條件下UHPC的抗彎性能及識別超低溫延性退化中的應用——同濟大學蔣正武教授可持續混凝土研究團隊研究成果
Sustainable Concrete of Tongji University
編者按
本文利用聲發射技術對比研究了常溫下和其它5種不同溫度條件下（見圖1）UHPC的抗彎力學行為，并取得如下原創性成果：1）原位監測超低溫場-應力場耦合作用下UHPC力學性能演化及微裂紋起裂機制；2）基于延性指數、韌性指數、能量歸一化和聲信號活躍度實現對-170℃下UHPC延性退化的定量表征；3）探究了高溫預處理對UHPC在-170℃下抗彎行為影響機制。研究成果可以為全混凝土液化天然氣儲罐、極地勘探、深空探月工程等重大工程提供一定的借鑒。
圖 1 不同溫度變化路徑
結果發現，相較于常溫條件下，超低溫下UHPC的初裂抗彎強度和峰值抗彎強度顯著提高，直接暴露在超低溫下UHPC初裂和峰值抗彎強度分別提升99.1%和103.4%，但經過200℃預處理后，UHPC在-170℃下，其初裂和峰值抗彎強度分別提升僅59.3%和41.6%。超低溫下，UHPC內部自由水結冰以及鋼纖維與基體間的粘結強度提高，但200℃預處理引起UHPC內部自由水含量降低，并在鋼纖維周圍產生因熱不兼容性導致的微裂紋。此外，各溫度條件對UHPC的初裂撓度影響比較顯著，但對峰值撓度的影響一般（圖2）
圖 2 不同溫度條件下UHPC抗彎強度和彎曲撓度
線彈性階段聲發射參數與UHPC初裂抗彎強度存在顯著的正相關關系，但撓度硬化階段并未發現聲發射參數與UHPC峰值抗彎強度存在相關關系，主要是由于初裂階段的聲信號主要源于基體內部微裂紋萌生與擴展，強度越高，產生的聲信號越明顯。而撓度硬化階段，鋼纖維活動、新微裂縫萌生與擴展、舊微裂紋積聚成宏觀裂紋并擴展均可產生聲信號，表現為聲信號和抗彎強度無法協同發展。
圖 3 初裂強度和AE參數的關系曲線
超低溫下，UHPC表現出明顯的溫脆效應，具體表現為延性降低，脆性增大，因此本文借助撓度延性指數、韌性延性指數、韌性指數、能量歸一化、聲信號活躍度等指標（圖4）對超低溫下UHPC的延性降低特征進行定量表征，研究發現，超低溫下UHPC能量釋放率顯著提高是其延性大幅降低的誘因。
圖 4 UHPC溫脆效應表征參數
本項研究受到國家自然科學基金、中央高校科研業務費、四川大學深地科學與工程教育部重點實驗室開放基金等項目等資助。蔣正武教授可持續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等期刊發表SCI論文70余篇。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946522004978
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