沖擊荷載作用下橡膠混凝土動態(tài)力學性能研究

趙行之 宗 琦 呂 鬧 汪海波

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

當前，回收廢舊產品以減少環(huán)境污染已成為全社會的共識，人們對環(huán)境保護的認識日益提高，對廢棄物的處理也越來越受重視。廢棄的橡膠制品不僅占用大量的垃圾填埋場空間，而且還可能引發(fā)火災，對環(huán)境造成嚴重威脅。廢棄橡膠可以加工成橡膠顆粒，代替部分混凝土骨料，不僅可以解決污染問題，還可以有效提高混凝土的性能，進而擴大混凝土材料的工程應用領域。例如橋面、機場跑道、防護欄等工程設施除了受到正常荷載之外，還會受到沖擊荷載，這對混凝土在工程中有更高的動力性能要求，普通混凝土作為一種脆性材料，動荷載作用下抵抗能力較差，摻入橡膠顆粒之后可以降低混凝土脆性，提高混凝土韌性，而且能充分發(fā)揮橡膠混凝土所具有的質量輕、抗沖擊性能好、耐久性好等特點［1］。

Pham 等［2］通過高應變率動態(tài)壓縮試驗發(fā)現橡膠混凝土在破壞形態(tài)、裂紋擴展等方面均優(yōu)于普通混凝土。Liu 等［3］利用SHPB 研究了橡膠鋼纖維混凝土在不同沖擊載荷下的動態(tài)力學性能，討論了應變率、橡膠尺寸和橡膠含量對橡膠鋼筋混凝土抗沖擊性能的影響，發(fā)現橡膠混凝土應變率敏感性較普通混凝土低。Guo［4］研究了橡膠對混凝土動態(tài)抗壓和抗裂性能的影響，發(fā)現橡膠摻量為15%時具有最好的沖擊韌性。郭永昌等［5］利用SHPB 對橡膠混凝土進行多應變動態(tài)力學特性研究，發(fā)現抗沖擊性能明顯優(yōu)于普通混凝土，變形能力明顯增強。龍廣成［6］發(fā)現橡膠混凝土的密度和抗壓強度相較于普通混凝土均有所降低。許金余［7］分析了應變率、橡膠粉粒徑及摻量對混凝土靜動力學性能的影響，比較了橡膠混凝土的靜、動強度性能。Zhang［8］采用SHPB 對不同含量的橡膠混凝土進行高應變速率動態(tài)力學性能分析，發(fā)現隨著應變速率的增加，動態(tài)抗壓強度、峰值韌性均上升，韌性指數隨橡膠含量的增加而增加。

1 試驗

1.1 試件制備

水泥選用P·O42.5 級硅酸鹽水泥；細集料選用河砂，砂密度為2 600 kg/m3，最大粒徑為5 mm，比重為2.70；粗集料為粒徑5～15 mm 的碎石；試驗用水是實驗室的自來水。減水劑為聚羧酸減水劑（F型），1 250 目一級粉煤灰。使用橡膠粉，粒度為40 目。分別制備普通混凝土試件以及橡膠顆粒含量為0%、1%、2%和3%的橡膠混凝土試件（編號分別為RC0、RC1、RC2和RC3），配合比見表1。

表1 橡膠粉混凝土配合比

制備12 個長度100 mm 的正立方體試件用于準靜態(tài)抗壓強度測試；SHPB 試驗試件長徑比一般控制在0.5 左右，表面不平整度控制在0.05 mm 以內［9］。制備32 個直徑100 mm、高50 mm 的圓柱體試件用于SHPB 試驗，分別測試4種氣壓。

1.2 SHPB試驗

SHPB 試驗裝置由子彈、入射桿、透射桿和阻尼器組成，通過入射桿上的入射波、反射波和透射桿上的透射波來研究材料的動態(tài)應力—應變關系。直徑100 mm 的橫截面的SHPB，子彈長度800 mm，入射桿長度2 500 mm，透射桿長度4 500 mm，壓桿材料為高強度合金鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s。利用紅外線激光測速儀來測得撞擊桿的速度，動態(tài)應變儀自動記錄試驗信號。

關于SHPB 試驗技術的兩個基本假定：一維應力波假定和試件應力均勻分布（動態(tài)平衡）假定，即不考慮非軸向應力，慣性效應與摩擦效應忽略不計。采用簡易三波法處理試驗數據可以計算出試件的應力、應變和應變率［10］，如式（1）～（3）所示。

以上式中：A0為桿的橫截面面積，mm2；εi(t)、εr(t)和εt(t)分別為入射桿、反射桿和透射桿的應變波形；E0為壓桿楊氏模量，GPa；Co為波速，m/s；As為試件的橫截面面積，mm2；ls為試件的長度，mm；t為應力波持續(xù)時間，μs。

2 試驗結果分析

2.1 靜載抗壓試驗

準靜態(tài)試驗采用RMT 試驗系統測試試件的抗壓強度，每種類型測試3次，得出的數值結果見表2。

表2 混凝土試件抗壓強度

從表2 看出，摻入橡膠后降低了混凝土試件的抗壓強度。與RC0 相比，RC1、RC2 和RC3 的抗壓強度平均降低了19.05%、32.02%、75.64%。

2.2 SHPB試驗結果

在用SHPB 試驗研究材料的動力性能時，需要進行應力均勻性假定驗證確保試驗數據有效，即通過入射端面與透射端面的應力對比，試件經過信號處理得到兩端應力平衡檢驗如圖1所示。

圖1 試件應力平衡

試驗采用4 種沖擊氣壓，分別為0.16 MPa、0.18 MPa、0.20 MPa、0.22 MPa。SHPB試驗較難實現固定的應變率加載，直接采用短平臺段的應變率來表征是不準確的，為確保應變率數值的準確性，試驗計算了全段應變率平均值的1.38倍來表征［11］，4種氣壓對應的平均應變率數值范圍分別為16～23 s-1、39～47 s-1、53～61 s-1、78～83 s-1。試驗結果如表3所示。

表3 SHPB試驗結果

2.3 試件破壞形態(tài)分析

圖2從左至右分別為RC0、RC1、RC2、RC3不同橡膠含量混凝土在不同應變率下的最終破壞形態(tài)。由圖2可見，應變率在16～23 s-1范圍內，RC0、RC1、RC2 均產生了裂紋，這表明RC0 在沖擊荷載作用下為脆性破壞，從中間斷裂，試件破壞為兩半，RC1、RC2為延性破壞，無明顯斷裂，整體都較為完整地保留了之前的形狀，中間有細小裂縫發(fā)展，呈現“裂而不碎”的特征，而RC3無可見裂縫，僅呈現局部破碎。應變率在39～47 s-1范圍內，RC0的破壞程度比橡膠混凝土大，RC1、RC2、RC3 在破壞后相對較為完整，RC3由于強度較低出現嚴重損壞，RC1、RC2的破壞形態(tài)說明試件在受外力作用之前內部已存在些許微裂縫，隨后優(yōu)先發(fā)展成主裂縫，中間部位出現裂紋貫穿，在動態(tài)荷載作用下，應力傳遞到橡膠顆粒上時，橡膠顆粒在短時間內形成大變形，吸收了一部分沖擊能量。在較低應變率條件下，普通混凝土的破壞程度較大。應變率在53～61 s-1范圍內，試件碎裂成多塊，RC0 被破壞為顆粒狀，RC1、RC2、RC3 多為塊狀和長條狀，這是由于橡膠顆粒在動載作用下會產生較大的橫向變形，形成橫向力，使橫向裂紋增多，混凝土表面破碎。與RC0相比，橡膠混凝土破碎后具有一定的黏結現象，RC1 和RC3 表現較為明顯。可以得知，裂縫的擴展貫穿橡膠顆粒，橫向裂紋產生的橡膠顆粒與碎屑經過沖擊作用的能量后沒有徹底分離，部分橡膠顆粒依然附著在混凝土表面。應變率在78～83 s-1范圍內，應力增長加快，內部的初始裂縫迅速發(fā)展，砂漿與骨料之間相互滲透，試樣均破壞為小碎塊，RC3由于強度較低，部分碎塊在高應變率條件下變成粉末狀。從微觀角度看，橡膠混凝土中橡膠與砂漿的界面黏結較普通混凝土中粗骨料與砂漿更為薄弱，橡膠與砂漿界面過渡區(qū)（ITZ）的結構比較松散，易受到破壞［12-13］。

圖2 不同應變率下的破壞形態(tài)

2.4 應力—應變曲線

圖3 為不同摻量下橡膠混凝土在不同應變率范圍下的應力—應變曲線。從圖3 可以看出，橡膠混凝土的抗壓強度與橡膠摻量、應變率有關，曲線在峰值應力之前的初始階段呈線性增長，試件內部初期主要呈彈性變形，到達峰值應力后，應力隨著應變率的增大急劇減小，峰值應力之前的曲線會隨著應變率的增加變得更加線性，RC0 表現較為顯著。而橡膠摻量增加，使得應力—應變曲線整體上表現出向右發(fā)展的趨勢，RC1、RC2、RC3 的曲線比RC0 平緩，說明動載破壞時具有延性特征。圖4 為應變率與抗壓強度的關系，對比發(fā)現，在相近應變率條件下，RC3 抗壓強度最低，RC0 的抗壓強度最高。試件的抗壓強度隨著應變率的增大而增大，且隨著應變率的升高和摻量的增加有減緩趨勢。選取應力應變曲線下方所圍面積來表征試件的沖擊韌性，結合表3 數據可知，摻入橡膠后，沖擊氣壓越大，混凝土試件的韌性越大，RC1、RC2、RC3 達到峰值強度后存在較長的曲線段說明在沖擊作用下具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 不同應變率范圍下橡膠混凝土的應力-應變曲線

圖4 不同應變率下的峰值強度

經過對比計算，基于應變率為16～23 s-1的抗壓強度提升幅度見表4。從表4 可以看出，當應變率較低時，RC1、RC2、RC3 的抗壓強度增幅較小，最小增幅僅為2.53%，應變率增大一個范圍時，增幅最大達40.96%。

表4 試件抗壓強度隨應變率提高幅度

2.5 動態(tài)增長因子

動態(tài)增長因子（DIF）被用來研究材料的動力性能，定義為動態(tài)強度值與準靜態(tài)強度值的比值，表征材料的動態(tài)強度相對于靜態(tài)強度的增大情況。分別將靜態(tài)抗壓強度70.9 MPa、62.5 MPa、60.3 MPa、45.2 MPa 作為基準抗壓強度，將動態(tài)抗壓強度與靜態(tài)抗壓強度進行對比。圖5 顯示了DIF與應變率的對數lg(ε˙)之間的關系。

從圖5 可以看出，DIF 與lg(ε˙)呈線性增加關系，隨著應變率的增加，DIF 的增長速率也逐漸增加，其中RC3 的增長速率最大，表明橡膠的摻入和應變率的增加會提高混凝土的應變率敏感性。

圖5 DIF與lg（ε˙）的關系

2.6 橡膠摻量對混凝土性能的影響

通過數據擬合分析，橡膠摻量對混凝土峰值應變的影響見圖6。

圖6 峰值應變與橡膠含量的關系

圖6可以看出，應變率在39～47 s-1范圍時峰值應變數值較低，但總體上峰值應變隨著橡膠含量的增加而增加，這是由于在同一應變率范圍下，由于橡膠顆粒具有變形能力，摻入橡膠粉之后增加了混凝土的孔隙率，使得峰值應變呈現整體上升趨勢。圖7 顯示了抗壓強度與橡膠摻量的關系。應變率相近時，抗壓強度隨橡膠摻量的增加而降低，RC1抗壓強度在不同應變率范圍分別較RC0 下降10.92%、4.55%、4.47%、8.95%，RC2 分別較RC0 下降18.44%、23.99%、38.55%、21.45%，RC3 分別較RC0下降60.8%、51.23%、100.26%、77.43%。

圖7 抗壓強度與橡膠含量的關系

2.7 橡膠混凝土吸能特性分析

比能量吸收值（SEA）用來判斷不同材料在相同沖擊氣壓作用下吸收能力的有效指標，即試件單位體積所吸收能量的能力。計算公式如下［14］。

以上式中：W為吸收能，J；Vs為試件體積，mm3。

入射能、反射能、透射能均隨著沖擊氣壓的增大而增大，SEA也逐漸增大。圖8 顯示了橡膠混凝土比能吸收值與應變率的關系，比能吸收值幅度主要集中在0.2～1.2 J/cm3，隨著應變率的增大呈線性增加，具有較強的應變率敏感性。擬合曲線與數據吻合度相關系數均達到0.9 以上。其中RC3 的SEA隨應變率增加，從0.361 J/cm3增加至1.199 J/cm3，吸能效果較為顯著。

圖8 不同應變率下比能量吸收值

由圖9 可知，隨著氣壓的升高，同一摻量下的橡膠混凝土吸能能力不斷增強。隨著橡膠摻量增加，SEA隨之增加，在橡膠摻量為3%時達到峰值。RC1在不同氣壓下的SEA相較RC0分別增加了10.43%、44.79%、25.29%、1.01%，RC2在不同氣壓下的SEA相較RC0 分別增加了38.11%、31.8%、28.05%、17.3%，RC3 在不同氣壓下的SEA相較RC0 分別增加了41.92%、57.46%、47.2%、29.7%。結果表明，RC3 在高應變率下吸收的能量更多，試件破碎更為劇烈，這一特點由圖2的破壞形態(tài)也可以看出。

圖9 不同橡膠含量的比能量吸收值

3 結語

①沖擊荷載下，摻入橡膠后可以阻止裂縫發(fā)展，破壞形式由脆性改變?yōu)樗苄云茐模嚰扑橹笥兴槠そY現象，破碎程度減弱，抗沖擊性能得到改善。

②對于同一橡膠摻量，抗壓強度隨應變率的增大而增大，其中RC1 增幅最大，增幅為40.96%。隨著橡膠摻量的增加，峰值應變逐漸增加，抗壓強度不斷降低，RC3相較于RC0平均降低幅度為72.43%。

③橡膠混凝土表現出較強的應變率敏感性，隨著橡膠摻量的增加，動態(tài)增長因子（DIF）增長速率隨之增大，其中RC3 增長速率較大，具有較強的應變率效應。

④通過比能吸收分析發(fā)現，隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土吸能能力越強，高應變率情況下RC3的沖擊吸能效果較好。