碳化硅改性混凝土高温静态与动态本构模型研究

为何更耐高温、更强韧的混凝土重要

从隧道和机场跑道到防护掩体，许多混凝土结构必须同时承受极端高温和突发冲击，例如火灾、爆炸或碰撞。常规混凝土在高温下强度明显下降，危及人员与基础设施安全。本研究探讨向混凝土中加入一种称为碳化硅的陶瓷颗粒，如何帮助混凝土在加热和快速冲击下保持更高强度，并建立描述这种改性混凝土在严苛工况下力学行为的数学模型。

配制更强韧的混合物

研究人员首先制备了不同用量和粒径的碳化硅改性混凝土，同时制备普通混凝土作为对照。他们使用标准水泥、砂、砾石、水和减水剂，然后加入不同细度——从较粗到极细——以及多种掺量的碳化硅粉体。目标是观察这些以高温稳定性和硬度著称的颗粒，在高温和快速冲击条件下如何改变混凝土的承载行为。

让混凝土经受火与冲击考验

为模拟真实灾害场景，团队将圆柱试样置于高温炉中加热至最高600 °C，然后用分裂霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar）对其施加快速压缩，产生极高的加载速率。他们严格控制应变率，以便对不同配比进行公平比较。结果呈现出细致的规律：当温度升至中等水平（约200–400 °C）时，普通和碳化硅改性混凝土的峰值强度都有可能上升，这可能是因为热有利于水泥进一步水化并改善内部孔隙结构。然而在600 °C时，普通混凝土普遍失强，而某些碳化硅配方——尤其是带有特定较粗颗粒的配方——在冲击强度方面保持甚至略有提高，提示这种改性剂改变了材料内部热与冲击相互作用的方式。

材料内部发生了什么

显微图像有助于解释碳化硅为何有效。细颗粒倾向于填充孔隙并致密化胶结浆体，而较粗的颗粒则像小型盾牌或桥接体，重新导向或减缓扩展的裂纹。骨料与胶结体之间的过渡区变得更致密，裂纹被迫绕行硬质碳化硅而不是直接穿过较弱路径。经高温处理后，改性混凝土显示出比普通混凝土更少的热诱导微裂纹和更好的整体完整性。这些观察结果指导作者构建其损伤模型：他们将混凝土视为由许多强度统计分布不同的小单元组成，并把失效表征为随着载荷、温度和应变率增加而逐步扩展的损伤单元。

从试验到统一的损伤模型

借鉴损伤力学与概率理论的思想，作者提出了一族本构模型——将应力与应变联系起来的数学规则——用于描述这种改性混凝土。他们假定微观单元的强度服从韦布尔（Weibull）分布，该分布能够自然刻画脆性材料的渐进损伤。随后，他们为三个影响因子分别定义了独立项：碳化硅对基础强度的改变量、温度对强度的削弱或增强作用、以及高加载速率对强度的增益。首先构建了分别仅处理单一因子的简单模型；接着两两组合来描述例如高温碳化硅混凝土或快速加载下的碳化硅混凝土；最后将三者整合，形成针对碳化硅改性混凝土的高温高应变率模型。该模型将以损伤因子表达的微观损伤与试验中观测到的整体应力–应变曲线联系起来。

模型与现实的吻合程度

当研究人员将模型预测与不同温度和配方下冲击试验得到的曲线进行比较时，结果吻合良好。曲线形状与峰值强度在多种工况下均被较好再现。重要的是，他们的框架将碳化硅带来的基线增强，与由高温和快速加载引起的额外变化分离开来。这使得理解和调整每个贡献变得更容易，而不必依赖一个掩盖底层机制的大范围经验修正。

对真实工程的意义

通俗来说，研究表明：通过合理选择碳化硅的用量和粒径，可以使混凝土对类似火灾的高温和突发冲击更具抵抗力，并且这种行为可以被一个紧凑且受物理启发的数学模型所捕捉。工程师可以使用这些本构关系模拟由此类混凝土构建的防护墙、路面或军用与航空结构在极端事件中的性能，帮助设计更安全、更有韧性的基础设施。

引用: Wang, J., Chen, Q., Huang, H. et al. Study on the high-temperature static and dynamic constitutive model of silicon carbide-modified concrete. Sci Rep 16, 11849 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40544-0

关键词: 高温混凝土, 碳化硅混凝土, 抗冲击材料, 损伤力学模型, 应力–应变行为