冲击荷载作用下橡胶混凝土的力学性能试验研究

2021-06-03赵荣生

新型建筑材料 2021年5期

赵荣生

（山西四建集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

混凝土由于其良好的力学性能及取材的便利，被广泛应用于土木工程建设中。在如桥面、机场跑道与公路防撞护栏等对混凝土材料有更高的动力性能要求，为改善混凝土的力学性能，通常会掺入纤维或橡胶等改性剂。实践中，通常利用废弃轮胎等橡胶制品来制作橡胶颗粒，这样可以提高资源再利用率，同时橡胶材料具有轻质、变形能力好等优点，可以在减轻混凝土结构自重的同时提高其变形能力[1-4]。Topcu I B[5]在混凝土中掺入不同体积分数的橡胶颗粒，并测试了不同龄期时的强度及回弹性能，结果表明，掺入橡胶颗粒后混凝土的抗压与抗拉强度均出现了下降，延性出现了增加，并且粗颗粒橡胶对混凝土的力学性能影响比细颗粒更显著。Eldin N N与Senouci A B[6]通过压缩试验测试了不同橡胶颗粒含量混凝土的抗压与抗拉强度，结果表明，随着橡胶颗粒含量的增加，混凝土的抗压与抗拉强度降低幅度可达85%与50%，同时橡胶混凝土的破坏具有更高的延性。Zheng等[7]利用弹性波法对比了不同含量及不同粒径橡胶混凝土的动力性能，结果表明，橡胶混凝土的阻尼比较普通混凝土更大，并且橡胶颗粒含量更高、颗粒更大的橡胶混凝土阻尼比也更大。陈振富等[8]通过自由振动法测试了橡胶混凝土的阻尼比，结果表明，混凝土的阻尼比随橡胶粉含量的提高而增加，并且在橡胶粉含量大于2.5%后，其阻尼比增加速度更显著。郭永昌等[9]利用SHPB技术研究了橡胶混凝土的动力性能，结果表明，橡胶混凝土的动力强度对应变率和橡胶含量敏感，峰值应力随着应变率的增加而增大，随着橡胶颗粒含量的增大而降低。韩菊红等[10]采用落锤试验研究了橡胶混凝土的抗冲击性能，结果表明，橡胶虽会降低混凝土的动力强度，但能显著提高其耗能能力。本文利用SHPB试验装置对橡胶颗粒含量分别为15%、30%的橡胶混凝土及普通混凝土进行了冲击荷载下的动力试验，研究了橡胶含量和应变率对混凝土的破坏形态、抗压强度及能量吸收的影响。

1 试验

1.1 原材料

水：自来水；水泥：P·O42.5水泥；粗骨料：主要为3种不同级配碎石，粒径分别≤10 mm、≤7 mm和≤5 mm，密度2.71 g/cm3，吸水率0.5%；细骨料：硅质河砂；橡胶颗粒：粒径分别为1～5mm和5～10mm两种，为改善橡胶混凝土性能以及与水泥面之间的粘结性能，将橡胶颗粒用清水洗干净以后并置于水中浸泡24 h备用。

1.2 试件制备

分别制备普通混凝土试件以及橡胶颗粒含量为15%与30%的橡胶混凝土试件（橡胶颗粒取代部分粗骨料和细骨料）。混凝土试件配合比如表1所示。坍落度控制在130～150 mm，符合文献[11]的要求。

表1 混凝土试件配合比 kg/m3

按配比制备9个直径100 mm、高200 mm的圆柱体试件用于抗压强度测试，每组各3个试件；为研究橡胶混凝土的动力性能，制备了24个直径100 mm、高50 mm的圆柱体试件用于SHPB试验，每组各8个试件；对于相同橡胶颗粒含量的混凝土试件，分别测试4种不同应变率，每种应变率均测试2个试件。拟静力抗压试验如图1（a）所示，SHPB试验如图1（b）所示。

图1 拟静力抗压试验及SHPB试验装置

1.3 SHPB试验

SHPB试验被广泛应用于材料的动力性能研究中。材料的动力性能指标一般包括动态破坏过程、动力作用下的材料强度和能量耗散等。图1（b）的SHPB试验装置中，入射杆直径100 mm，长度5500 mm，传递杆长度3000mm。冲击棒采用钢材制作，钢材密度7800 kg/m3，杨氏模量为240 GPa，压缩波速为5064 m/s。试件与杆件接触面采用润滑油以减少二者之间的摩擦。所有冲击试验均采用厚度3mm、半径20 mm的圆形橡胶脉冲整形器，并安装于入射杆冲击端以获取冲击过程中的半正弦冲击波。脉冲整形器还可延长入射波的上升段时长，使应力平衡更易实现。冲击过程中材料破坏过程演变采用高速摄像机记录。

根据一维波动理论[12]，试件的应力、应变及应变率可由入射波生成的反射波和透射波，由式（1）～式（3）得出：

式中：σ（t）——试件应力，MPa；

L——试件的长度，mm；

AS——试件的截面积，mm2；

A——杆的截面积，mm2；

E——杆的杨氏模量，GPa；

C0——杆的纵波波速，mm/ms；

εR、εT——反射波及透射波的应变。

2 试验结果及分析

2.1 拟静力抗压试验

试件浇筑完毕后标养28d，采用万能试验机测试试件的抗压强度，结果见表2。

表2 混凝土试件的抗压强度

由表2可见，采用15%、30%橡胶颗粒取代粗细骨料，大幅降低了混凝土试件的抗压强度，与普通混凝土试件相比，橡胶颗粒含量为15%、30%的混凝土试件抗压强度分别降低了50.4%、71.0%。

2.2 SHPB试验

用SHPB试验研究试件的动力性能时，只有当试验机达到应力平衡，测得的数据才可靠，因此需要先进行测试，选取满足应力平衡的试件。图2为测得的各橡胶颗粒含量混凝土试件的应力，包括入射应力波、反射应力波、透射应力波及入射与反射应力波之和。

图2 各试件的应力平衡

由图2可以看出，各试件测得的入射波与反射波之和跟透射波吻合较好，这表明本次试验所有试件均达到了应力平衡状态。

2.3 试件的破坏形态及分析

SHPB试验中，由于冲击速度较快，应变率较高，故采用高速摄像机记录试件的动态破坏形态。普通混凝土试件N-0和15%橡胶颗粒含量混凝土R-15的破坏发展情况如图3所示，由于R-30与R-15的破坏形态较为相似，因此未列出。

图3 N-0和R-15试件的破坏发展过程

由图3可以看出，裂缝最早出现在试件两端，然后再发展至中部区域，随后裂缝进一步布满试件，这也进一步证明了这些试件均达到了应力平衡状态。N-0和R-15裂缝发展情况对比表明，由于橡胶混凝土的静力抗压强度较低，因此裂缝也出现较早，50μs时R-15试件出现了10条微裂缝，而N-0试件仅在60μs时出现了2条微裂缝；但从二者后续的裂缝发展情况来看，橡胶混凝土延缓了裂缝的产生，在200μs时，R-15的裂缝数量明显少于N-0，在1800μs时，R-15试件的裂缝数量仍比N-0试件在200μs时的裂缝数量要少；从二者最终破坏的情况来看，N-0试件被粉碎成为一个个较小的块体，而R-15试件被粉碎成了相对较大的块体。

图4为3组不同橡胶颗粒含量混凝土试件在不同应变率下的最终破坏形态。

图4 3组不同橡胶颗粒含量混凝土试件的最终破坏形态

由图4可见，N-0试件在116 s-1的应变率下，被粉碎成了许多碎块，并且随着应变率的提高，最终形成的碎块越来越小；而相近的应变率下，R-15与R-30试件最终形成的碎块均比N-0要大。例如在105 s-1的应变率时，R-15试件的外侧混凝土破坏比较严重，而中间部位相对较为完整；R-30试件仅在周边出现了一些裂缝，整个试件仍为较完整的保留了以前的形状。当应变率增加到125 s-1时，N-0试件被破坏成了较小的碎块，而R-15试件被破坏成为相对较大的碎片，而R-30试件仍然较为完整。即使在151 s-1的高应变率下，R-30试件也仅在周围出现了明显的破坏，其中间区域仍旧基本完好。综上，橡胶混凝土在冲击荷载作用下的损伤随着橡胶颗粒含量的增加而减小，这种差异随着橡胶颗粒含量的提高更加明显。同时，应变率对橡胶混凝土的破坏形态影响较小，而对普通混凝土的破坏形态影响较大。

2.4 应力-应变曲线（见图5）

图5 3组不同橡胶颗粒含量混凝土试件在不同应变率时的应力-应变曲线

由图5可见，3组不同橡胶颗粒含量混凝土试件的动力抗压强度均随着应变率的增加而提高，对比各组曲线可以发现，在相近的应变率下，普通混凝土的动力抗压强度最高，其次是R-15与R-30，这是由于普通混凝土的静力抗压强度高于橡胶混凝土。

2.5 动力放大因子（DIF）

动力放大因子（DIF）经常被用于定量研究材料的动力性能，可以表征材料动力强度相对于静力强度增大的情况。不同橡胶颗粒含量试件的DIF与应变率的关系见图6。

图6 DIF与应变率的拟合曲线

由图6可见，相近的应变率下，R-30的DIF最高，其次是R-15与N-0，这表明DIF随着橡胶颗粒含量的增加而增大，即混凝土抗压强度对应变率的敏感性随着橡胶颗粒含量的增加而增大。当应变率为125～133s-1时，N-0、R-15及R-30的DIF分别为1.52、2.54和3.21，相较于N-0，DIF分别增大了67%和111%。混凝土的应变率效应主要与以下2种机制有关：裂缝开展与断裂过程的关系；混凝土变形对完整水泥浆体的影响。这2种机制与混凝土的动力性能密切相关，第1种机制在高应变率下尤为明显。

对试验曲线进行拟合，得到试件R-15及R-30的DIF与应变率的经验表达式如下：

由图6可见，在本文试验的应变率范围内，拟合的曲线与试验结果吻合较好，表明本次可用于预测结构在冲击作用下的动力响应。

2.6 能量吸收

能量吸收值也常被用于研究材料的动力性能，其为应力-应变曲线与横坐标所包围的面积。不同橡胶颗粒含量混凝土试件的能量吸收值见表3。

表3 不同橡胶颗粒含量混凝土试件的的能量吸收值

由表3可见，普通混凝土与橡胶混凝土试件的能量吸收均随着应变率的增加而增大；在相近的应变率下，橡胶混凝土的能量吸收比普通混凝土小，但橡胶混凝土的能量吸收增加值随着应变率的增加而更为显著地增大。当应变率从103s-1增加到150 s-1时，R-15与R-30的能量吸收值分别增加了18%和117%，表明提高橡胶颗粒含量会增强橡胶混凝土能量吸收能力对应变率的敏感性，这使得在高应变率下，增加橡胶含量可更好的改善橡胶混凝土的能量吸收能力。

高橡胶颗粒含量的橡胶混凝土的DIF更小，如果提高橡胶颗粒含量对应变率效应所引起的能量吸收能力的改善小于其对抗压强度带来的损失，那么橡胶混凝土的能量吸收将小于普通混凝土。因此，将所有试件的能量吸收值除以自身的抗压强度，得到正则化能量吸收值，结果如表3所示。可以看到，橡胶混凝土的正则化能量吸收值显著大于普通混凝土，当应变率为141～150 s-1时，R-15和R-30的正则化能量吸收值分别为37、43（kN/m2）/MPa，较普通混凝土N-0分别增大了54%、79%。此外，R-30的正则化能量吸收值也大于R-15。这表明在相同动力抗压强度下，橡胶混凝土的能量吸收能力大于普通混凝土，并且随着橡胶颗粒含量的增加而增大。