泡沫填充混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮本構(gòu)模型*

劉逸平 伍土華 劉澤佳 蔣震宇 湯立群

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

泡沫填充混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮本構(gòu)模型*

劉逸平 伍土華 劉澤佳 蔣震宇 湯立群

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

泡沫填充混凝土(FFC)有望成為工程材料攔阻系統(tǒng)(EMAS)的新型攔阻材料，針對其準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能進行研究，制作了6種不同聚苯乙烯泡沫(EPS)摻量(以體積分數(shù)計)的FFC試件進行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗. 通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，對材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分段擬合，建立了擬合參數(shù)與EPS摻量的關(guān)系，進而建立了FFC材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮本構(gòu)模型.結(jié)果表明：FFC材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為3個階段，即彈性段、塑性平臺段和密實段；FFC抗壓強度隨EPS摻量增大而降低；本構(gòu)模型與實驗結(jié)果吻合較好，能較為準(zhǔn)確地描述不同EPS摻量FFC材料的壓縮力學(xué)性能.

泡沫填充混凝土；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮；本構(gòu)模型；EPS摻量

工程材料攔阻系統(tǒng)(EMAS)是一種在機場跑道端采用具有良好吸能效果的泡沫混凝土(FC)鋪設(shè)而成的保護設(shè)施，該系統(tǒng)能有效減輕意外越出跑道飛機造成的危害.目前，國外已鋪設(shè)了55套EMAS，國內(nèi)黃龍機場等3個機場也進行了EMAS鋪設(shè)，取得了良好的效果[1].然而，由于FC中存在大量孔洞、易開裂吸水導(dǎo)致內(nèi)部濕度過大，用該材料建造的攔阻系統(tǒng)在鋪裝后不久就出現(xiàn)了老化問題，而且在低溫下攔阻系統(tǒng)的性能大大降低[2]，直接影響了其使用品質(zhì)和使用壽命.泡沫填充混凝土(FFC)是在水泥中加入聚苯乙烯泡沫(EPS)顆粒制成的輕質(zhì)材料.該新材料由于吸能效果好、性能穩(wěn)定、耐久性好等優(yōu)點有望代替FC而作為EMAS的新型攔阻材料.

目前，對FC和FFC的研究主要集中在泡孔分布、齡期、密度和EPS摻量(以體積分數(shù)計)對材料抗壓強度的影響方面.郭向勇等[3]、扈士凱等[4]研究了泡孔分布對FC抗壓強度的影響；周可可等[5]結(jié)合實驗和超聲波檢測分析，建立了FFC抗壓強度與EPS摻量的強度表達式；Kearsley[6]、張磊蕾[7]、劉嫄春[8]在實驗的基礎(chǔ)上建立了FFC抗壓強度與密度的強度模型.習(xí)會峰等[9]還研究了FC抗壓強度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系.此外，肖帆[10]、郭周揚[11]、劉逸平等[12]研究了FFC在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮落錘沖擊及縮比機輪沖擊貫入荷載作用下的力學(xué)響應(yīng).但是這些工作都未能給出材料的本構(gòu)關(guān)系，對材料缺乏較全面的了解.在本構(gòu)關(guān)系方面，國內(nèi)也有一些研究，尚帥旗等[13]、李廣良等[14]建立了不同密度下FFC材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但是這些研究材料密度范圍太小，無法得到密度范圍外、孔隙率較高的材料本構(gòu)關(guān)系；才紅[15]和何書明[16]結(jié)合實驗擬合了FFC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.但現(xiàn)有工作未能給出寬密度范圍的FFC材料的本構(gòu)模型，特別是對于高孔隙率情況下統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系.

在EMAS對攔阻材料的要求[2]的基礎(chǔ)上，文中制作了EPS摻量(以體積分數(shù)計)在66.5%～84.0%之間的6種FFC試件并進行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實驗.研究了EPS摻量對材料力學(xué)性能的影響，建立了材料的準(zhǔn)靜態(tài)本構(gòu)關(guān)系，并進行了本構(gòu)模型的驗證，得到了其他EPS摻量的FFC材料準(zhǔn)靜態(tài)本構(gòu)關(guān)系，為該新型攔阻材料在國內(nèi)民航機場的鋪設(shè)選型提供了參考依據(jù).

1 FFC準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗

選取FFC材料的水灰比為0.4，配合比設(shè)計如表1所示，制作了EPS摻量為66.5%、70.2%、72.3%、77.3%、80.3%和84.0%的FFC試件.

表1 FFC試件配合比設(shè)計

FFC試件制作過程如下：先將稱量好的水泥、EPS顆粒和水充分混合攪拌；然后將水泥漿體倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm鋼模中，試件尺寸采用于紀(jì)壽等[17]、彭家惠等[18]對FFC力學(xué)性能研究時采用的試件尺寸，該尺寸滿足FFC中泡沫顆粒均勻分布的條件；壓實、抹平后養(yǎng)護48 h后脫模；之后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護28 d成型.

摻量與密度的換算公式如下：

(1)

其中，Vf為EPS摻量，ρ0為水灰比為0.4時水泥漿體的密度(ρ0=1 935kg/m3)，ρ為FFC試件的表觀密度，ρEPS為平均粒徑為3mm的EPS顆粒密度(ρEPS=12.89kg/m3).

2 實驗結(jié)果與分析

2.1FFC試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗在美國INSTRON5567電子萬能材料試驗機上進行，加載速率為1mm/min，記錄數(shù)據(jù)為荷載和壓縮位移.通過式(2)和(3)計算應(yīng)力和應(yīng)變：

σ=F/a2

(2)

ε=u/a

(3)

式中：F為荷載測試值；u為壓縮位移測試值；σ為名義應(yīng)力值；ε為名義應(yīng)變值；a為FFC正方體試件的邊長，取70.7 mm.

各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示.圖中A-F代表6種EPS摻量的FFC試件，01-03為每種EPS摻量的FFC試件編號.

從圖1可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)下FFC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為3個階段：彈性段、塑性平臺段和密實段.在FFC中，孔隙的填充物為空氣與EPS顆粒.在低應(yīng)力下，材料表現(xiàn)為彈性，如圖2所示；應(yīng)力達到抗壓強度之后，隨著材料的壓縮，孔壁和EPS顆粒不斷屈服坍塌與密實化，孔壁逐漸失穩(wěn)破壞，承載力不斷下降，應(yīng)力值不斷下降，表現(xiàn)出應(yīng)力跌落現(xiàn)象；在塑性平臺階段，由于試件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的孔壁坍塌和EPS顆粒密實，應(yīng)力值保持在平臺應(yīng)力范圍內(nèi)上下振蕩，表現(xiàn)為塑性屈服平臺；當(dāng)大部分孔壁失穩(wěn)破壞，孔洞和EPS顆粒被壓縮密實，承載面積增大，應(yīng)力重新分布，試件出現(xiàn)整體性壓實，進入密實段，呈現(xiàn)出應(yīng)力強化現(xiàn)象.

2.2 FFC試件的準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強度

圖3給出了抗壓強度(σc)隨摻量變化的擬合曲線.可以看出，在EPS摻量66.5%～84.0%的范圍內(nèi)，F(xiàn)FC材料的抗壓強度隨著EPS摻量的增大而降低，這與參考文獻[19]所得結(jié)論一致.對FFC材料抗壓強度進行擬合，指數(shù)函數(shù)可較好地描述，這與參考文獻[5]所得結(jié)論相吻合，關(guān)系式如下：

σc=1 992.43exp(-0.109Vf)

(4)

3 FFC材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮本構(gòu)關(guān)系

從圖1可以看到，F(xiàn)FC準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為3個階段，而第3階段(密實段)由于大部分孔洞和EPS顆粒都被壓實，從實驗現(xiàn)象來看，此階段FFC試件已開始逐漸壓碎，此時的承載面積已不能視為試件的原橫截面面積，該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映的已不是FFC材料的性質(zhì).因此在建立材料的本構(gòu)關(guān)系時只考慮前兩個階段(彈性段和塑性平臺段)，即壓縮應(yīng)變在0～0.5內(nèi)的曲線.實驗共獲得6種EPS摻量下FFC材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取其中5組實驗數(shù)據(jù)進行本構(gòu)模型中的參數(shù)擬合，剩下的1組實驗曲線(Vf=77.3%)用以驗證本構(gòu)模型.

圖1 不同摻量下FFC試件的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 各EPS摻量下FFC應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段

Fig.2 Elastic parts in stress-strain curves of FFC with different fractions

圖3 抗壓強度與EPS摻量的關(guān)系

Fig.3 Relationship between compressive strength and EPS fraction

由圖1可以看到，應(yīng)變在0～0.5內(nèi)的曲線可以視為由3段組成：彈性段、應(yīng)力跌落段和塑性平臺段.為了建立本構(gòu)關(guān)系考慮進行曲線擬合，將曲線分為3段，各分段情況如圖4所示，對應(yīng)得到各分段對應(yīng)的臨界應(yīng)變值，如圖5所示.

圖4 各分段情況與臨界應(yīng)變

圖5 臨界應(yīng)變值與EPS摻量的關(guān)系

Fig.5 Relationship between critical strain value and EPS fraction

隨著EPS摻量的增大，材料更加接近EPS顆粒材料的性質(zhì)，彈性模量減小.臨界應(yīng)變值與EPS摻量的關(guān)系如下.

彈性段與應(yīng)力跌落段之間的臨界應(yīng)變：

(5)

應(yīng)力跌落段與塑性平臺段之間的臨界應(yīng)變：

ε2=(-1.055 7Vf+414.71)×10-4

(6)

對3段分別采用曲線擬合的方式，對應(yīng)力跌落段采用二次多項式描述，對彈性段和塑性平臺段采用線性擬合較為吻合，即彈性段：

σ1=a1ε

(7)

應(yīng)力跌落段：

σ2=a2ε2+b2ε+c2

(8)

塑性平臺段：

σ3=b3ε+c3

(9)

式中：σ1、σ2和σ3代表各段的應(yīng)力值；a1、a2、b2、c2、b3和c3是擬合參數(shù).

分段擬合結(jié)果和實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果如圖6所示，對擬合結(jié)果中的各參數(shù)進行統(tǒng)計處理，如圖7、8和9所示，從而得到各參數(shù)與EPS摻量Vf的關(guān)系如下.

彈性段:

(10)

應(yīng)力跌落段：

(11)

(12)

(13)

塑性平臺段：

b3=(83.983Vf-6 626.8)×10-4

(14)

c3=(-166.22Vf+16 031)×10-4

(15)

把分段擬合得到的參數(shù)結(jié)果式(10)-(15)代入式(7)-(9)即得到不同EPS摻量下材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分段應(yīng)變的取值由式(5)和(6)計算.如前所述，取EPS摻量Vf=77.3%作為本構(gòu)關(guān)系的驗證，EPS摻量Vf=77.3%FFC材料的分段臨界應(yīng)變?yōu)?/p>

(16)

圖10所示為EPS摻量為77.3%時FFC材料的應(yīng)力-應(yīng)變實驗曲線和理論預(yù)測曲線.從圖10可以看出該模型能較好地描述FFC材料在EPS摻量66.5%～84.0%范圍內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮本構(gòu)關(guān)系.

圖6 實驗曲線與擬合曲線對比

圖7 彈性段參數(shù)a1與EPS摻量的關(guān)系

Fig.7 Relationship between EPS fractions and parametera1in elastic curves

圖8 應(yīng)力跌落段各參數(shù)與EPS摻量的關(guān)系

Fig.8 Relationship between EPS fraction and parameters in stress-drop stage

圖9 塑性平臺段各參數(shù)與EPS摻量的關(guān)系

Fig.9 Relationship between EPS fraction and parameters in plastic platform stage

圖10 Vf=77.3%時FFC實驗曲線與本構(gòu)模型曲線的對比

Fig.10 Comparison of model curve and experimental curve of FFC atVf=77.3%

4 基于本構(gòu)模型的FFC性能討論

文中基于本構(gòu)模型預(yù)測了EPS摻量在66.5%～84.0%內(nèi)的FFC材料的本構(gòu)關(guān)系.圖11所示為EPS摻量分別為68.0%、74.0%和82.0%時FFC材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖中可以看出：①最大應(yīng)力隨著EPS摻量的增大而減??；②應(yīng)力跌落段的后期上升段隨著摻量的增大而趨于不明顯；③在塑性平臺段，當(dāng)EPS摻量較低時，平臺應(yīng)力隨著壓縮應(yīng)變的增大而減?。挥墒?14)可得，當(dāng)EPS摻量達到78.9%時，平臺應(yīng)力值保持不變；當(dāng)EPS摻量超過78.9%時，平臺應(yīng)力隨著壓縮應(yīng)變的增大而增大.這與實驗曲線相吻合.

圖11 文中本構(gòu)模型下其他EPS摻量FFC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.11 Stress-strain curves of FFC at different EPS fractions with the proposed model

5 結(jié)論

根據(jù)EMAS對攔阻材料的性能要求進行了配合比設(shè)計，制作了6種EPS摻量的FFC試件進行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗.實驗結(jié)果表明：FFC材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性段、塑性平臺段和密實段；隨EPS摻量增大，抗壓強度呈指數(shù)形式降低.通過對FFC材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分3段進行曲線擬合，建立了材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮本構(gòu)關(guān)系，驗證了本構(gòu)模型與實驗結(jié)果吻合較好，能較為準(zhǔn)確地描述不同EPS摻量的FFC材料的壓縮力學(xué)性能，預(yù)測了FFC材料在其他EPS摻量下的力學(xué)性能，可在FFC材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)值模擬中采用；同時，為考慮EPS摻量的泡沫類材料本構(gòu)模型的研究提供了借鑒.該模型能很好地反映不同EPS摻量下FFC材料在加載過程中的應(yīng)力跌落和塑性平臺現(xiàn)象.

[1] 佚名.我國自研阻止飛機沖出跑道技術(shù)打破外國壟斷 [J].黑龍江科技信息,2012(31):XIX-XX.

[2] BARSOTTI M A,PURYEAR J M.Developing improved civil aircraft arresting system [R].Washington D C:Transportation Research Board,2009.

[3] 郭向勇，郭建立.泡沫混凝土性能研究進展 [J].工程質(zhì)量,2013,31(4):17- 23. GUO Xiang-yong,GUO Jian-li.A progress of studies on properties of foam concrete [J].Construction Quality,2013,31(4):17- 23.

[4] 扈士凱，李應(yīng)權(quán)，羅寧,等.泡沫自身參數(shù)對泡沫混凝土性能影響的研究 [J].墻材革新與建筑節(jié)能,2010,31(5):28- 31. HU Shi-kai,LI Ying-quan,LUO Ning,et al.Study on parameters’ effects on performance of foam concrete [J].Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings,2010,31(5):28- 31.

[5] 周可可，陳兵，陳龍珠.EPS顆粒級配對EPS混凝土力學(xué)性能的影響 [J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2010,31(2):195- 201. ZHOU Ke-ke,CHEN Bing,CHEN Long-zhu.Effects of particle distribution on the mechanical properties of expanded polystyrene sphere concrete mixes [J].Journal of Harbin Engineering University,2010,31(2):195- 201.

[6] KEARSLEY E P.The use of foamed concrete for affordable development in third world countries [C]∥Dhir R K,McCarthy M J.Appropriate Concrete Technology.London:E&FN Spon,1996:233- 243.

[7] 張磊蕾.泡沫混凝土的組成與性能、微結(jié)構(gòu)的研究 [D] .北京：中國建筑材料科學(xué)研究總院，2011.

[8] 劉嫄春.EPS混凝土試驗、本構(gòu)模型及節(jié)能評價研究 [D] .哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所，2013.

[9] 習(xí)會峰,劉逸平,馬宏偉，等.泡沫混凝土抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究[J].混凝土與水泥制品,2016(2): 77- 79. XI Hui-feng,LIU Yi-ping,MA Hong-wei,et al.Experimental study of the compressive strength and the thermal conductivity of foamed concrete [J].China Concrete and Cement Products,2016(2): 77- 79.

[10] 肖帆.泡沫填充混凝土沖擊壓剪力學(xué)性能實驗研究 [D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

[11] 郭周揚.泡沫填充混凝土的貫入力學(xué)行為研究 [D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[12] LIU Y P,MA D P,JIANG Z Y,et al.Dynamic response of expanded polystyrene concrete during low speed impact [J].Construction & Building Materials,2016(122):72- 80.

[13] 尚帥旗，李丹，陳星明，等.泡沫混凝土的單軸抗壓力學(xué)特性研究 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2012,34(12):24- 29. SHANG Shuai-qi,LI Dan,CHEN Xing-ming,et al.Study on uniaxial compressive mechanical properties about foam concrete [J].Journal of Wuhan University of Technology,2012,34(12):24- 29.

[14] 李廣良,郭偉國,趙融，等.輕質(zhì)泡沫混凝土的力學(xué)性能與唯象本構(gòu)模型 [J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2012,30(3):428- 431. LI Guang-liang,GUO Wei-guo,ZHAO Rong,et al.Mechanical properties and phenomenological constitutive model of light weight foamed concrete [J].Journal of Materials Science & Engineering,2012,30(3):428- 431.

[15] 才紅.硫鋁酸鹽泡沫混凝土的本構(gòu)關(guān)系研究 [D].長春：吉林建筑大學(xué)，2014.

[16] 何書明.泡沫混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究 [D].長春：吉林建筑大學(xué)，2014.

[17] 于紀(jì)壽，葛勇，譚名輝，等.發(fā)泡聚苯乙烯混凝土 [J].新型建筑材料,1996(9):14- 15. YU Ji-shou,GE Yong,TAN Ming-hui,et al.Foamed polystyrene concrete [J].New Building Materials,1996(9):14- 15.

[18] 彭家惠，武海龍，張建新，等.EPS外保溫砂漿性能與工程應(yīng)用 [J].墻體革新與建筑節(jié)能,2007(1):48- 51. PENG Jia-hui,WU Hai-long,ZHANG Jian-xin,et al.EPS external thermal insulation mortar properties and engineering application [J].Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings,2007(1):48- 51.

[19] 程從密，蘇達根，焦楚杰，等.有機輕集料混凝土的單軸受壓試驗研究 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(11):114- 118. CHENG Cong-mi,SU Da-gen,JIAO Chu-jie,et al.Experimental investigation into compression property of organic lightweight aggregate concrete under uniaxial loading [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2011,39(11):114- 118.

A Constitutive Model of Foam-Filled Concrete Under Quasi-Static Compression

LIUYi-pingWUTu-huaLIUZe-jiaJIANGZhen-yuTANGLi-qun

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The foam-filled concrete (FFC) is expected to become a new type of arresting material for the engineered material arresting system (EMAS). In order to investigate the mechanical properties of the FFC material under the quasi-static compression, six FFC specimens of different expanded polystyrene(EPS) fractions(volume fraction) were manufactured to carry out the quasi-static compression experiments. Then, by analyzing the experimental data, the stress-strain curves were fitted by using sectional curves, and the relationships between the fitting parameters and the EPS fraction were determined. Finally, a constitutive model of the FFC material under the quasi-static compression was constructed. The results show that (1) the stress-strain curve of the FFC material under the quasi-static uniaxial compression can be divided into three parts, namely, the elastic stage, the plastic platform stage and the densification stage;(2) the compressive strength of the FFC material decreases with the increase of the EPS fraction; and (3) the constructed constitutive model accords well with the experimental data, and can accurately describe the compressive mechanical properties of the FFC material of different EPS fractions.

foam-filled concrete; quasi-static compression; constitutive model; EPS fraction

2016- 01- 08

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272124，11472109) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11272124，11472109)

劉逸平(1974-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事計算力學(xué)方法和結(jié)構(gòu)非線性研究.E-mail：tcypliu@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)10- 0049- 08

TU 528.41

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.10.008