沖擊荷載作用下早強(qiáng)EPS混凝土的力學(xué)性能

丁國博，許金余，2，胡澤斌，席 峰，白二雷

(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院機(jī)場建筑工程系，西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(簡稱EPS混凝土)，又稱Styropor混凝土，是一種用聚苯乙烯發(fā)泡顆粒作輕骨料生產(chǎn)的礦物質(zhì)膠結(jié)輕質(zhì)混凝土［1］，早在 1973 年 Cook［2］就對EPS作為混凝土的集料進(jìn)行了研究。其在加壓過程中，EPS混凝土試件變形較大，即使在試件發(fā)生破壞時(shí)，其破壞過程也是逐漸變化的，顯示出良好的韌性。這表明EPS混凝土具有優(yōu)異的吸能功能［3］。其輕質(zhì)吸能的優(yōu)異性能使之在軍事防護(hù)工程中有著重要和廣泛的用途。

目前，對于聚苯乙烯混凝土的整體研究主要集中在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的研究，而對早強(qiáng)EPS混凝土的沖擊力學(xué)性能研究相對較少，這樣使得EPS混凝土應(yīng)用范圍很有限。

為滿足實(shí)際工程抗沖擊材料的需要，本文對早強(qiáng)聚苯乙烯混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。配制了基體強(qiáng)度等級為C60，EPS體積摻量為40%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為12 h、24 h、36 h和28 d的聚苯乙烯混凝土，利用φ100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材與配合比

混凝土基體材料:P.O 42.5R秦嶺水泥;韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰;涇陽縣石灰?guī)r碎石(5 mm～10 mm，15%;10 mm ～20 mm，85%);灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8;硅灰(0.1 μm ～0.15 μm);EPS 顆粒采用高陵縣泡沫廠生產(chǎn)的再生EPS顆粒(2 mm～8 mm)。本試驗(yàn)采用自配外加劑對EPS顆粒進(jìn)行改性，以改善EPS顆粒與水泥漿體的界面性能。

表1 早強(qiáng)EPS混凝土的配合比Tab.1 Mix proportions of Early-strengthed kg/m3

1.2 EPS混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

根據(jù)表1提供的配合比，澆筑了標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件，測定相應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 EPS混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能Tab.2 Quasi-static mechanical properties of EPS reinforced concrete

2 試驗(yàn)裝置及原理

沖擊壓縮試驗(yàn)采用空軍工程大學(xué)工程學(xué)院五系防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室φ100 mm分離式霍普金森壓桿裝置。系統(tǒng)主要包括主體設(shè)備、氣源和量測設(shè)備3大部分，試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

圖1 φ100 mm分離式霍普金森壓桿裝置示意圖Fig.1 Sketch of 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar(SHPB)equipment

試驗(yàn)中采用H62黃銅作為波形整形器，其作用是消除由于大尺寸SHPB裝置彌散效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力波波頭的過沖和波形的震蕩，同時(shí)可將上升沿拉長，可以得到材料真實(shí)的響應(yīng)特性［4］。

試驗(yàn)的基本原理是細(xì)長桿中彈性應(yīng)力波傳播理論，建立在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上:(1)平面假設(shè)，即應(yīng)力波在細(xì)長桿中傳播過程中，彈性桿的每個(gè)橫截面始終保持平面狀態(tài);(2)應(yīng)力均勻假設(shè)，即應(yīng)力波在試件中傳播兩個(gè)來回以上，試件中的應(yīng)力處處相等［5］。通過粘貼在入射桿與透射桿應(yīng)變片測出入射應(yīng)變?chǔ)舏、反射應(yīng)變?chǔ)舝及透射應(yīng)變?chǔ)舤;再采用三波法［6］計(jì)算出試件的應(yīng)力σs、應(yīng)變率及應(yīng)變?chǔ)舠。即:

式中:E為桿的彈性模量;c為桿中波速;A、As分別為桿、試件的橫截面積;ls為試件的初始厚度［7］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用φ100 mm SHPB試驗(yàn)裝置，對EPS體積摻量為40%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為12 h、24 h、36 h和28 d的EPS混凝土進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，試件的幾何尺寸為φ99 mm×50 mm，試驗(yàn)時(shí)在試件端面涂抹薄薄的一層石墨與潤滑劑的混合物，以消除界面摩擦效應(yīng)［8］。SHPB試驗(yàn)結(jié)果見表3。其中:動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度fc，d為峰值應(yīng)力;峰值應(yīng)變?chǔ)舙為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變;極限應(yīng)變?chǔ)舥為EPS混凝土最終的應(yīng)變;動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子(dynamic increase factor，簡稱DIF)為試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，是反映沖擊荷載下材料抗壓強(qiáng)度增幅的指標(biāo)，用公式表示為:

式中:fc，d、fc，s分別為 EPS 混凝土的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度;Ec為彈性模量，本文采用混合模量，即曲線上升段上對應(yīng)壓縮強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的40%和60%的兩點(diǎn)連線的斜率，計(jì)算公式為:

式中，下標(biāo)1和2分別表示曲線上對應(yīng)0.4σ0和0.6σ0的兩點(diǎn);S表示軸向應(yīng)力;ε為軸向應(yīng)變。

表3 EPS混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Summary of SHPB tests on EPS concrete specimen

圖2 EPS混凝土沖擊破壞形態(tài)Fig.2 Failure forms of EPS reinforced concrete specimens

不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下EPS混凝土試件的破壞形態(tài)如圖2所示。在沖擊荷載作用下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土破壞形態(tài)主要有裂縫、留芯周圍塊狀碎裂、粉碎等幾種形態(tài)。在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著平均應(yīng)變率的提高，試件的破壞形態(tài)趨于嚴(yán)重，試件由出現(xiàn)微裂縫、明顯裂縫、留芯周圍塊狀碎裂、碎而不散直至粉碎。

不同齡期的EPS混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有相似的幾何形狀。

圖4和圖5是在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，測得的相應(yīng)EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。由圖4可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期為36 h和28 d的EPS混凝土，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加呈近似線性增長;養(yǎng)護(hù)齡期為12 h和24 h的EPS混凝土，隨著應(yīng)變率的增加，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變化不明顯。由圖4和圖5還可以看出，EPS混凝土的抗沖擊性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增加。

在混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變率關(guān)系的研究中，人們更關(guān)心的是特定應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度相對于靜態(tài)強(qiáng)度的提高值。不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土的DIF隨平均應(yīng)變率變化如圖6所示。由圖6可見，養(yǎng)護(hù)齡期為36 h、28 d的EPS混凝土的DIF隨應(yīng)變率的增加呈對數(shù)函數(shù)遞增，其對數(shù)遞增規(guī)律如式(4)所示。

養(yǎng)護(hù)36 h和28 d的EPS混凝土，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，且隨平均應(yīng)變率的提高而近似線性增加，其原因有以下兩個(gè)方面:(1)隨著應(yīng)變率的增加，混凝土在破壞時(shí)砂漿基體內(nèi)部微裂縫來不及充分?jǐn)U展，因而導(dǎo)致了混凝土骨料的破壞，應(yīng)變率越高，混凝土骨料破壞得越多，從而混凝土的抗沖擊強(qiáng)度就越高;(2)EPS混凝土受到外界沖擊載荷時(shí)很容易發(fā)生變形，變形量大而流動(dòng)應(yīng)力水平較低，在壓縮變形過程中消耗大量的功，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)中泡孔的變形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而有效地吸收外界的沖擊能量，提高混凝土抗沖擊力學(xué)性能。

養(yǎng)護(hù)齡期為12 h、24 h的EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加變化不明顯，其原因是由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，混凝土內(nèi)部還沒有水化充分，EPS顆粒與水泥礦物砂漿的界面還沒充分粘結(jié)，當(dāng)混凝土受到外界沖擊載荷作用時(shí)，界面裂縫容易較早出現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增加，基體內(nèi)部界面裂縫迅速擴(kuò)展所致。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下EPS混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress versus strain curves of concrete specimens reinforced with different maintenance duration

圖4 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的變化Fig.4 Increase ratio of dynamic compressed strength vs.averagestrain rate for EPS concrete specimen

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of dynamic compressed strength with maintenance duration

圖6 不同齡期EPS混凝土的DIF隨應(yīng)變率的變化Fig.6 Semi-logarithmic plot of dynamic strength increase factor vs.average strain rate for EPS reinforced concrete specimens with different maintenance period

4 結(jié)論

利用φ100 mm SHPB裝置，對不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土試件進(jìn)行了多個(gè)應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，分析了EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。試驗(yàn)的主要結(jié)論有:

(1)養(yǎng)護(hù)齡期為36 h、28 d時(shí)，EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增大，具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性;養(yǎng)護(hù)齡期為12 h、24 h時(shí)，EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加變化不明顯。這說明EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期的影響。

(2)EPS混凝土的抗沖擊性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增加。

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