高應(yīng)變率下橡膠混凝土壓縮和劈裂試驗(yàn)研究

陳瑞林，巫緒濤，朱俊凱，金大帥

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外由廢舊橡膠的大量產(chǎn)出而導(dǎo)致的“黑色污染”問(wèn)題日益突出，廢舊橡膠的回收再利用具有重要的環(huán)保意義。在混凝土基體中摻入廢舊橡膠粉而制成的橡膠混凝土(RC)是一種集合了脆性和韌性材料優(yōu)點(diǎn)的新型環(huán)?；炷痢Ｆ洳粌H將廢舊橡膠由黑色廢料和環(huán)境公害轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好型的綠色資源，而且具有質(zhì)輕、韌性及吸能效果良好等性質(zhì)，在抗沖擊、抗爆震等方面具有較高要求的民用建筑和防護(hù)工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，橡膠混凝土力學(xué)性能的研究就引起了一些學(xué)者的關(guān)注。如T.S.Nagaraj等[1]對(duì)由超塑性天然橡膠乳作為摻合料制成的改性混凝土的基本力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，得到橡膠乳對(duì)混凝土的延性、抗壓和抗拉強(qiáng)度均具有一定影響的結(jié)論。T.D.Biel等[2]對(duì)摻有廢舊橡膠粒的混凝土進(jìn)行了抗壓和劈裂試驗(yàn)，得出與普通混凝土相比，其抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均大幅降低的結(jié)論。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠混凝土的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展了系列的試驗(yàn)研究[3-7]。研究發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，橡膠混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等均顯著降低，韌性得到改善。目前對(duì)于橡膠混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究尚處于起步階段，K.B.Najim[8]和袁勇等[9]均對(duì)橡膠混凝土的動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)，但其內(nèi)容均僅局限于與靜態(tài)性質(zhì)相比較的動(dòng)態(tài)彈性模量、剪切模量、泊松比等方面，而這些動(dòng)力特性不能全面反應(yīng)橡膠混凝土的抗沖擊性能。郭永昌等[10]對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行了沖擊壓縮試驗(yàn)，探討了橡膠混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓性能，但未研究其動(dòng)態(tài)抗拉伸性能。

本文采用分離式Hopkinson壓桿(SHPB)對(duì)3種橡膠粉摻量及2種粒徑的RC試樣進(jìn)行了3個(gè)應(yīng)變率下的沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)。系統(tǒng)的探討了RC在高應(yīng)變率下壓縮和拉伸兩方面的動(dòng)力性能，并進(jìn)行對(duì)比分析，以更全面地反應(yīng)RC的抗沖擊性能而更好地指導(dǎo)RC在實(shí)際工程上的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 橡膠混凝土的制備

制備了兩種橡膠粉粒徑(2mm，0.2mm)和四種體積摻量(0%，15%，30%，45%)的RC試樣。試驗(yàn)所用材料包括42.5級(jí)普通水泥、粒徑5～9.5mm的碎石、粒徑0.3～2.5mm的河沙等。詳細(xì)配合比如表1所列。其中橡膠粉摻入方式為保證水灰比不變的情況下等體積替換砂和碎石。

兩種橡膠粒徑不同摻量的橡膠混凝土配合比 表1

分別制作了兩種尺寸的圓柱狀試樣：直徑50mm，高40mm的短試樣(用于沖擊壓縮和靜、動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn))，直徑50mm，高150mm的長(zhǎng)試樣(用于靜態(tài)壓縮試驗(yàn))。各材料組分經(jīng)攪拌充分、注入模具、振搗均勻后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。對(duì)試樣上下端面進(jìn)行磨削加工，保證其不平行度在0.05mm以內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)裝置及原理

分別進(jìn)行包含壓縮和劈裂在內(nèi)的靜態(tài)和3個(gè)應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：靜態(tài)試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用圖1所示的直錐變截面SHPB裝置。進(jìn)行SHPB試驗(yàn)時(shí)，撞擊桿高速撞擊入射桿產(chǎn)生入射波εi(t)，與試樣發(fā)生作用后產(chǎn)生反射波εr(t)和透射波εt(t)，分別被桿上粘貼的應(yīng)變計(jì)及連接的瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置記錄。試驗(yàn)記錄的典型入射、反射、透射波如圖2所示。采用了如下措施減少試驗(yàn)誤差：①為了減小試樣離散的影響，相同條件下的試驗(yàn)至少保證有3個(gè)試樣；②在試樣和透射桿之間安裝萬(wàn)向墊塊消除試樣端面與壓桿間的微小間隙；③使用橡膠墊片（第一、第二應(yīng)變率）和紫銅片（第三應(yīng)變率）作為波形整形器以減少應(yīng)力波傳播的波形彌散。

圖1 SHPB裝置

圖2 典型的入射、反射、透射波

對(duì)于沖擊壓縮試驗(yàn)，按式(1)計(jì)算得到各試樣的應(yīng)變 ε(t)和應(yīng)力 σ(t)：

對(duì)于動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)，可由透射波εt(t)求得試樣所受外力P(t)和試樣中心處與受力方向垂直的拉應(yīng)力σt(t)，如式（2）所示：

式中，D0為試樣直徑。當(dāng)σt(t)最大時(shí)即為劈裂強(qiáng)度 σb。

2 試驗(yàn)分析

2.1 沖擊壓縮試驗(yàn)

按式（1）處理得到每個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對(duì)同一試驗(yàn)類型下的多條曲線進(jìn)行平均處理。部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3～8所示，其中圖3～4所示分別為抗壓強(qiáng)度f(wàn)c及εt峰值應(yīng)變（抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變）與應(yīng)變率的關(guān)系，圖5～6所示分別為動(dòng)態(tài)第一、第三應(yīng)變率下不同材料類型的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖7～8所示分別為30%、45%橡膠摻量的試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其中，動(dòng)態(tài)第一、第二、第三3個(gè)應(yīng)變率的數(shù)值范圍分別為（8.9～12.5）s-1、（15.3～23.9）s-1、（47.8～58.9）s-1。

圖3 抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系

圖4 峰值應(yīng)變-應(yīng)變率關(guān)系

圖5 動(dòng)態(tài)第一應(yīng)變率下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 動(dòng)態(tài)第三應(yīng)變率下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)圖3～8得到如下分析結(jié)果。

①應(yīng)變率效應(yīng)：在沖擊壓縮荷載作用下，素混凝土與RC均具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。

首先，如圖3所示，RC和素混凝土的抗壓強(qiáng)度f(wàn)c均具有明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，且其增強(qiáng)效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大具有減緩趨勢(shì)。但與素混凝土不同的是，RC的減緩趨勢(shì)更為顯著，且橡膠粉摻量越大，減緩的幅度越大。其中動(dòng)態(tài)第一、第二、第三應(yīng)變率下與相應(yīng)的低一級(jí)應(yīng)變率相比，素混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高82.9%、29.4%、13.7%，0.2mm粒徑15%橡膠粉摻量的RC分別提高98.3%、17.0%、12.1%，0.2mm粒徑45%橡膠粉摻量的RC分別提高144.2%、13.9%、5.2%。這也證明了混凝土是率敏感性材料，與準(zhǔn)靜態(tài)下的主裂紋沿薄弱界面擴(kuò)展不同，高應(yīng)變率動(dòng)載作用下大量微裂縫同時(shí)發(fā)展，所需的能量大幅增加，導(dǎo)致其強(qiáng)度顯著提高。而由于橡膠的率敏感性遠(yuǎn)沒(méi)有混凝土材料顯著，兩者摻合作用后，應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)減弱。

其次，如圖4所示，峰值應(yīng)變?chǔ)舙也具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)：隨應(yīng)變率增大而增大，且具有減緩趨勢(shì)。其減緩趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度不同，橡膠粉摻量較少時(shí)減緩幅度明顯，而摻量較多時(shí)減緩幅度不明顯。

圖7 30%摻量時(shí)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 DIF與應(yīng)變率的關(guān)系

②橡膠粉摻量的影響

如圖5～6所示，橡膠粉摻量顯著影響RC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)：橡膠粉摻量越大，曲線越低矮平緩。即橡膠粉摻量越大，抗壓強(qiáng)度降低得越多，韌性越好。這正是橡膠材料的特點(diǎn)在復(fù)合混凝土中的體現(xiàn)。與素混凝土相比，0.2mm粒徑、15%，30%，45%橡膠摻量的RC在動(dòng)態(tài)第一應(yīng)變率時(shí)抗壓強(qiáng)度分別減少33.4%、48.7%、68.1%，第二應(yīng)變率時(shí)分別減少36.7%、61.7%、74.0%。均顯著大于橡膠粉的摻量（15%、30%、45%），可見(jiàn)，橡膠粉的摻入，混凝土強(qiáng)度降低幅度不能簡(jiǎn)單歸結(jié)于材料置換，更重要的是產(chǎn)生了大量的薄弱界面。

③橡膠粉粒徑的影響

如圖7～8所示，相近應(yīng)變率下小粒徑RC的抗壓強(qiáng)度高于相同摻量的大粒徑RC，且靜態(tài)提高的幅度大于動(dòng)態(tài)。例如45%橡膠摻量時(shí)，與大粒徑RC相比，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)第一、第二、第三應(yīng)變率下小粒徑RC的抗壓強(qiáng)度分別提高19.9%、6.3%、9.3%、4.4%。這主要是由于大粒徑橡膠粉與混凝土的接觸界面更大，在混凝土內(nèi)部的分布也不如小粒徑橡膠粉均勻，靜載下大粒徑RC周邊更易形成主裂紋，而動(dòng)載下多裂紋同時(shí)發(fā)展的性質(zhì)，減小了粒徑不同的影響。

另外，橡膠粉粒徑對(duì)RC應(yīng)力-應(yīng)變曲線卸載段的形態(tài)具有顯著的影響。如圖5～6所示，在應(yīng)變率較大時(shí)，小粒徑RC應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍面積要更大。如圖7～8所示，在較高應(yīng)變率下，小粒徑RC應(yīng)力-應(yīng)變曲線卸載段具有更明顯的卸載平臺(tái)，即小粒徑RC具有更好的的韌性和吸能效果。

3 動(dòng)態(tài)劈裂

按式（2）處理得到各試樣的劈裂強(qiáng)度σb、應(yīng)變率等力學(xué)參數(shù)。這里的應(yīng)變率是指名義應(yīng)變率，即，其中E0為試樣的彈性模量(由沖擊壓縮試驗(yàn)第一個(gè)應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到)，t為透射波εt(t)上升段起點(diǎn)至峰值點(diǎn)的時(shí)間。圖9所示為劈裂強(qiáng)度σb與名義應(yīng)變率的關(guān)系?？梢钥闯觯篟C的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度一樣，均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)；橡膠粉摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響與抗壓強(qiáng)度類似，即隨著橡膠粉摻量的增多，劈裂強(qiáng)度不斷減小；橡膠粉粒徑對(duì)靜、動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響均不明顯。

圖9 劈裂強(qiáng)度與名義應(yīng)變率

圖10 DIF與應(yīng)變率的關(guān)系

為了進(jìn)一步比較RC的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)的強(qiáng)弱，圖10繪出了0.2mm橡膠粒徑的RC劈裂強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子DIF與應(yīng)變率的關(guān)系，其中DIF為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與靜態(tài)強(qiáng)度的比值，表示應(yīng)變率增強(qiáng)的幅度。可以看出，與抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)相比，劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)的幅度顯著更大，且其隨應(yīng)變率的增強(qiáng)趨勢(shì)也遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

①RC混凝土具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)：抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、劈裂強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的增大而增大，但三者隨應(yīng)變率的增長(zhǎng)趨勢(shì)不一樣?？箟簭?qiáng)度的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大具有減緩趨勢(shì)，且橡膠粉摻量越大，減緩的幅度越大。峰值應(yīng)變的增大隨應(yīng)變率的增大也具有減緩趨勢(shì)，橡膠粉摻量較少時(shí)減緩幅度明顯，而摻量較多時(shí)減緩幅度不明顯。劈裂強(qiáng)度的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)顯著大于抗壓強(qiáng)度，不僅體現(xiàn)在增強(qiáng)幅度，也體現(xiàn)在增強(qiáng)趨勢(shì)方面。

②橡膠粉摻量顯著影響RC的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)：橡膠粉摻量越大，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度降低得越多，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越低矮平緩，韌性和吸能效果越好。

③小粒徑RC的抗壓強(qiáng)度與大粒徑RC相比有所提高，且靜態(tài)提高的幅度大于動(dòng)態(tài)。在應(yīng)變率較大時(shí)，小粒徑RC應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍面積更大，具有更明顯的卸載平臺(tái)。橡膠粒徑對(duì)靜、動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度的影響均不明顯。