沖擊荷載作用下橡膠混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究

趙行之 宗 琦 呂 鬧 汪海波

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

當(dāng)前，回收廢舊產(chǎn)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(hù)的認(rèn)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(zāi)，對環(huán)境造成嚴(yán)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(jìn)而擴(kuò)大混凝土材料的工程應(yīng)用領(lǐng)域。例如橋面、機(jī)場跑道、防護(hù)欄等工程設(shè)施除了受到正常荷載之外，還會受到?jīng)_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(zhì)量輕、抗沖擊性能好、耐久性好等特點［1］。

Pham 等［2］通過高應(yīng)變率動態(tài)壓縮試驗發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土在破壞形態(tài)、裂紋擴(kuò)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(xué)性能，討論了應(yīng)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(xiàn)橡膠混凝土應(yīng)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(xiàn)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(jìn)行多應(yīng)變動態(tài)力學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)抗沖擊性能明顯優(yōu)于普通混凝土，變形能力明顯增強(qiáng)。龍廣成［6］發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的密度和抗壓強(qiáng)度相較于普通混凝土均有所降低。許金余［7］分析了應(yīng)變率、橡膠粉粒徑及摻量對混凝土靜動力學(xué)性能的影響，比較了橡膠混凝土的靜、動強(qiáng)度性能。Zhang［8］采用SHPB 對不同含量的橡膠混凝土進(jìn)行高應(yīng)變速率動態(tài)力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的增加，動態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值韌性均上升，韌性指數(shù)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(xì)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(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)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(nèi)［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(yīng)力—應(yīng)變關(guān)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(qiáng)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(yīng)變儀自動記錄試驗信號。

關(guān)于SHPB 試驗技術(shù)的兩個基本假定：一維應(yīng)力波假定和試件應(yīng)力均勻分布（動態(tài)平衡）假定，即不考慮非軸向應(yīng)力，慣性效應(yīng)與摩擦效應(yīng)忽略不計。采用簡易三波法處理試驗數(shù)據(jù)可以計算出試件的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)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(yīng)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(yīng)力波持續(xù)時間，μs。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 靜載抗壓試驗

準(zhǔn)靜態(tài)試驗采用RMT 試驗系統(tǒng)測試試件的抗壓強(qiáng)度，每種類型測試3次，得出的數(shù)值結(jié)果見表2。

表2 混凝土試件抗壓強(qiáng)度

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

2.2 SHPB試驗結(jié)果

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

圖1 試件應(yīng)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(xiàn)固定的應(yīng)變率加載，直接采用短平臺段的應(yīng)變率來表征是不準(zhǔn)確的，為確保應(yīng)變率數(shù)值的準(zhǔn)確性，試驗計算了全段應(yīng)變率平均值的1.38倍來表征［11］，4種氣壓對應(yīng)的平均應(yīng)變率數(shù)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(jié)果如表3所示。

表3 SHPB試驗結(jié)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(yīng)變率下的最終破壞形態(tài)。由圖2可見，應(yīng)變率在16～23 s-1范圍內(nèi)，RC0、RC1、RC2 均產(chǎn)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(xì)小裂縫發(fā)展，呈現(xiàn)“裂而不碎”的特征，而RC3無可見裂縫，僅呈現(xiàn)局部破碎。應(yīng)變率在39～47 s-1范圍內(nèi)，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(qiáng)度較低出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，RC1、RC2的破壞形態(tài)說明試件在受外力作用之前內(nèi)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(xiàn)裂紋貫穿，在動態(tài)荷載作用下，應(yīng)力傳遞到橡膠顆粒上時，橡膠顆粒在短時間內(nèi)形成大變形，吸收了一部分沖擊能量。在較低應(yīng)變率條件下，普通混凝土的破壞程度較大。應(yīng)變率在53～61 s-1范圍內(nèi)，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(chǎn)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(jié)現(xiàn)象，RC1 和RC3 表現(xiàn)較為明顯?？梢缘弥?，裂縫的擴(kuò)展貫穿橡膠顆粒，橫向裂紋產(chǎn)生的橡膠顆粒與碎屑經(jīng)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(yīng)變率在78～83 s-1范圍內(nèi)，應(yīng)力增長加快，內(nèi)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(qiáng)度較低，部分碎塊在高應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)比較松散，易受到破壞［12-13］。

圖2 不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)

2.4 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 為不同摻量下橡膠混凝土在不同應(yīng)變率范圍下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖3 可以看出，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度與橡膠摻量、應(yīng)變率有關(guān)，曲線在峰值應(yīng)力之前的初始階段呈線性增長，試件內(nèi)部初期主要呈彈性變形，到達(dá)峰值應(yīng)力后，應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大急劇減小，峰值應(yīng)力之前的曲線會隨著應(yīng)變率的增加變得更加線性，RC0 表現(xiàn)較為顯著。而橡膠摻量增加，使得應(yīng)力—應(yīng)變曲線整體上表現(xiàn)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(yīng)變率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，對比發(fā)現(xiàn)，在相近應(yīng)變率條件下，RC3 抗壓強(qiáng)度最低，RC0 的抗壓強(qiáng)度最高。試件的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而增大，且隨著應(yīng)變率的升高和摻量的增加有減緩趨勢。選取應(yīng)力應(yīng)變曲線下方所圍面積來表征試件的沖擊韌性，結(jié)合表3 數(shù)據(jù)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(dá)到峰值強(qiáng)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(yīng)變率范圍下橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 不同應(yīng)變率下的峰值強(qiáng)度

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

表4 試件抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)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(qiáng)度值與準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度值的比值，表征材料的動態(tài)強(qiáng)度相對于靜態(tài)強(qiáng)度的增大情況。分別將靜態(tài)抗壓強(qiáng)度70.9 MPa、62.5 MPa、60.3 MPa、45.2 MPa 作為基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，將動態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比。圖5 顯示了DIF與應(yīng)變率的對數(shù)lg(ε˙)之間的關(guān)系。

從圖5 可以看出，DIF 與lg(ε˙)呈線性增加關(guān)系，隨著應(yīng)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(yīng)變率的增加會提高混凝土的應(yīng)變率敏感性。

圖5 DIF與lg（ε˙）的關(guān)系

2.6 橡膠摻量對混凝土性能的影響

通過數(shù)據(jù)擬合分析，橡膠摻量對混凝土峰值應(yīng)變的影響見圖6。

圖6 峰值應(yīng)變與橡膠含量的關(guān)系

圖6可以看出，應(yīng)變率在39～47 s-1范圍時峰值應(yīng)變數(shù)值較低，但總體上峰值應(yīng)變隨著橡膠含量的增加而增加，這是由于在同一應(yīng)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(yīng)變呈現(xiàn)整體上升趨勢。圖7 顯示了抗壓強(qiáng)度與橡膠摻量的關(guān)系。應(yīng)變率相近時，抗壓強(qiáng)度隨橡膠摻量的增加而降低，RC1抗壓強(qiáng)度在不同應(yīng)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(qiáng)度與橡膠含量的關(guān)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(biāo)，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(yīng)變率的關(guān)系，比能吸收值幅度主要集中在0.2～1.2 J/cm3，隨著應(yīng)變率的增大呈線性增加，具有較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性。擬合曲線與數(shù)據(jù)吻合度相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9 以上。其中RC3 的SEA隨應(yīng)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(yīng)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(qiáng)。隨著橡膠摻量增加，SEA隨之增加，在橡膠摻量為3%時達(dá)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(jié)果表明，RC3 在高應(yīng)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(jié)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(jié)現(xiàn)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(qiáng)度隨應(yīng)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(yīng)變逐漸增加，抗壓強(qiáng)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(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)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(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)。

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