EPS混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

胡 俊，巫緒濤，胡時(shí)勝

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 力學(xué)和機(jī)械工程系，合肥 230027;2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，合肥 230601，3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230009)

泡沫混凝土盡管是在1923年首次被發(fā)明的［1]，但一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，直到最近幾十年來(lái)由于混凝土材料的發(fā)展，泡沫混凝土目前已廣泛應(yīng)用于各類民用建筑中，諸如復(fù)合墻板，港口的擋土墻，填充夾芯構(gòu)件等。Kearsley和Wainwright就高摻量粉煤灰對(duì)泡沫混凝土性能的影響進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，據(jù)此給出了優(yōu)化的粉煤灰與水泥的摻量比，并且研究了孔隙率和強(qiáng)度之間的關(guān)系［2－4]。Jones和 McCarythy研究了在泡沫混凝土中用一種低鈣粉煤灰代替砂對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響，同時(shí)也研究了粗、細(xì)粉煤灰及聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響［5－6]。Kunhanandan Nambiar和Ramamurthy研究了泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨細(xì)砂填料的細(xì)化而提高［7]。

將發(fā)泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，簡(jiǎn)稱EPS)作為輕質(zhì)骨料加入混凝土制作的EPS混凝土是一種新型節(jié)能建筑材料。EPS混凝土是由混凝土和輕質(zhì)泡沫材料EPS復(fù)合而成，它具有以下復(fù)雜特性:① 組分復(fù)雜，由均勻性差、材質(zhì)很脆的混凝土和均勻性好、質(zhì)地柔軟的EPS組合，從而導(dǎo)致了這種復(fù)合材料力學(xué)行為的復(fù)雜性;② 在變形過(guò)程中，除表現(xiàn)出各自的力學(xué)行為外，兩者的相互作用會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)行為。同時(shí)，EPS顆粒的加入，能夠影響混凝土中裂紋的擴(kuò)展，有效改變混凝土的脆性破壞形態(tài)。Roy、Ganesh Babu和Laukaitis研究了EPS混凝土強(qiáng)度和EPS顆粒粒徑之間的關(guān)系［8－10]。Miled、Sab 和 Le Roy對(duì) EPS 混凝土的尺寸效應(yīng)和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨EPS粒徑的降低而顯著增加是由和EPS粒徑大小相關(guān)的顆粒尺寸效應(yīng)決定的，而不是由和試樣大小相關(guān)的體積尺寸效應(yīng)所決定的;并且發(fā)現(xiàn):對(duì)于較低體積含量的EPS混凝土，這種尺寸效應(yīng)很顯著，而隨EPS顆粒體積含量的增加，這一尺寸效應(yīng)不明顯;研究了EPS混凝土尺寸效應(yīng)的物理機(jī)制［11]。陳兵等研究了EPS混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度性能［12－13]。

以上研究都是基于準(zhǔn)靜態(tài)下的EPS混凝土的力學(xué)性能的研究。由于混凝土材料是一種應(yīng)變率敏感性材料，尤其對(duì)于在爆炸和沖擊荷載作用下具有良好的緩沖吸能能力的EPS混凝土這種材料，研究EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能顯得很重要，而目前對(duì)于EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究很少。本文主要利用大尺寸分離式Hopkinson壓桿(簡(jiǎn)稱SHPB)進(jìn)行單軸沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)來(lái)研究EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1 試樣的制備和試驗(yàn)裝置

1.1 原材料與配比

(1)水泥:強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，其28天抗壓強(qiáng)度為48.4 MPa，密度為3 100 kg/m3;

(2)粗骨料:石子公稱粒徑為5 mm～10 mm，含泥量為 0.3%;

(3)細(xì)集料:細(xì)集料采用河沙，細(xì)度模數(shù)為2.5，表觀密度為2 660 kg/m3;

(4)EPS 顆粒:直徑3.0 mm，密度18 kg/m3;直徑1.0 mm，密度 30 kg/m3;

(5)減水劑:聚羧酸高效減水劑;

(6)混凝土基體密度為2 446 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為110 MPa，彈性模量為34 MPa。

其配合比見(jiàn)表1、表2。

表1 3 mm粒徑的EPS混凝土配比Tab.1 Proportion of EPS concrete mixes containing 3mm EPSgranular

表2 1 mm粒徑的EPS混凝土配比Tab.2 Proportion of EPS concrete mixes containing 1mm EPSgranular

1.2 試件制作

采用30L的攪拌機(jī)進(jìn)行拌合。先將砂、水泥加入攪拌機(jī)中拌合2min;接著將石子加入其中拌合2min;然后將EPS顆粒加入其中拌合5 min;最后將減水劑加入水中拌合均勻并逐步加入拌合物中拌合5 min～10 min，將均勻的EPS混凝土拌合物裝入模具振搗成型。由于EPS顆粒的輕質(zhì)性和憎水性，本文采用添加氯丁乳膠對(duì)EPS混凝土進(jìn)行改性，以改善EPS顆粒與水泥砂漿體的粘結(jié)力，另外在振搗時(shí)，嚴(yán)格控制振搗時(shí)間，防止EPS顆粒上浮，使EPS顆粒能夠均勻的分布在混凝土基體中。24 h后脫模，用鋁紙包好放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天。試樣尺寸采用直徑為70 mm、高度為35 mm的圓柱體。由于EPS混凝土在極小的應(yīng)變下就已失效或破壞，試件端面的不平行或不平整都可能導(dǎo)致局部失效和應(yīng)變測(cè)量的不精確，因此在SHPB壓縮試驗(yàn)中，必須保持試件兩個(gè)端面嚴(yán)格平行。試樣如圖1所示。

圖1 EPS粒徑為3mm和1mm的EPS混凝土試樣Fig.1 The specimen of EPSconcrete containing respectively 3mm and 1mm EPSbeads.

1.3 試驗(yàn)裝置

由于混凝土是一種復(fù)合材料，其骨料尺寸較大，而在骨料周圍及整個(gè)材料中布滿了大量不規(guī)則的裂隙、氣泡等缺陷，這就要求試件的尺寸必須足夠大，用來(lái)做沖擊的裝置也要足夠大，因此EPS混凝土沖擊壓縮試驗(yàn)所選的設(shè)備為φ74變截面SHPB裝置。鑒于EPS混凝土材料的波阻抗比較小，透射信號(hào)比較弱，本文在透射桿上還采用了半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)采集透射波信號(hào)。φ74變截面SHPB裝置見(jiàn)圖2。

圖2 SHPB裝置Fig.2 Schematic of the SHPB setup.

2 試驗(yàn)結(jié)果以及分析

本文對(duì)粒徑是3 mm和1 mm、體積含量分別為10%、20%、30%、40%四個(gè)系列的EPS混凝土進(jìn)行了SHPB試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和分析如下:

2.1 粒徑為3 mm的EPS混凝土試驗(yàn)結(jié)果和分析

粒徑為3mm、體積含量分別為10%、20%、30%、40%的EPS混凝土在不同應(yīng)變率下工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3～圖6所示。由圖3～圖6可以看出，EPS混凝土具有不同于普通混凝土的率效應(yīng):① 不同體積含量的EPS混凝土在本文所測(cè)定動(dòng)態(tài)的前一、二個(gè)應(yīng)變率下應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系都表現(xiàn)出明顯的三個(gè)不同的階段:在壓縮開(kāi)始表現(xiàn)出一個(gè)線彈性區(qū)，后面接著一個(gè)應(yīng)力近乎恒定的平臺(tái)，最后進(jìn)入一個(gè)應(yīng)力陡然升高區(qū)。線彈性區(qū)主要是由于混凝土基體材料的孔壁(骨架)支撐所引起的，孔壁屈曲坍塌形成平臺(tái)區(qū);坍塌的混凝土碎塊及EPS顆粒被進(jìn)一步壓縮則形成應(yīng)力陡升區(qū)。隨著應(yīng)變率的逐漸加大，上述三個(gè)不同的階段的力學(xué)特性逐漸消失，這主要是由于在高應(yīng)變率下，混凝土基體材料孔壁處大量微裂紋來(lái)不及擴(kuò)展，遲緩的屈曲坍塌已受到孔壁內(nèi)EPS顆粒應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)影響，第二階段的屈曲平臺(tái)區(qū)已不明顯，并直接形成應(yīng)力陡升區(qū)。② 對(duì)不同體積含量的EPS混凝土，隨應(yīng)變率的增加，試件在峰值應(yīng)力后的殘余強(qiáng)度也在增長(zhǎng)。其主要是由于以下原因:① EPS顆粒基體為粘彈性的泡沫材料，具有較強(qiáng)的緩沖吸能特性;② 由于EPS顆粒的加入，增加了EPS顆粒和混凝土顆粒之間的粘性。

圖3 粒徑3mm、含量10%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 10 EPSgranular

圖4 粒徑3mm、含量20%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 20 EPSgranular

圖5 粒徑3mm、含量30%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent 30 EPSgranular

圖6 粒徑3mm、含量40%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 3mm、percent40 EPSgranular

圖7 粒徑1mm、含量10%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 10 EPSgranular.

圖8 粒徑1mm、含量20%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 20 EPSgranular

2.2 粒徑為1 mm的EPS混凝土試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7～圖10是粒徑為1 mm的EPS混凝土在不同體積含量、不同應(yīng)變率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。從圖7～圖10中可以看出，1 mm粒徑的EPS混凝土和3 mm粒徑的EPS混凝土具有相似的特性，即在低應(yīng)變率下應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的三個(gè)階段，在高應(yīng)變率下這一特征逐漸消失。但是對(duì)于1 mm粒徑的、體積含量分別為10%、20%、30%、40%EPS混凝土，在應(yīng)變率分別為 19(s－1)、27(s－1)、28(s－1)、30(s－1)時(shí)，EPS 混凝土的平臺(tái)區(qū)比3 mm粒徑的EPS混凝土平臺(tái)區(qū)更明顯。根據(jù)Miled和Sab等對(duì)EPS混凝土的力學(xué)性能研究結(jié)果表明:EPS混凝土的破壞主要由準(zhǔn)微觀脆性指數(shù)(Brittleness Mesoscopic Number)決定的，準(zhǔn)微觀脆性指數(shù)是幾何長(zhǎng)度(Geometric Length)和材料特征長(zhǎng)度(Characteristic Material Length)的比值，幾何長(zhǎng)度主要和EPS顆粒的體積含量和EPS顆粒的粒徑的大小有關(guān)，材料特征長(zhǎng)度是由基體材料不均勻性的最大尺寸所確定的［11];因而對(duì)于同樣基體、同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的準(zhǔn)微觀脆性指數(shù)小，表明其脆性較小、延性較大，所以對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，小孔徑的EPS混凝土平臺(tái)區(qū)更明顯。從圖7～圖10中可以看出:對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，隨應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)力后都有一定的殘余強(qiáng)度，比較3 mm粒徑和1 mm粒徑的EPS混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以看出，1 mm粒徑的EPS混凝土峰值應(yīng)力后的殘余強(qiáng)度明顯高于3 mm粒徑的EPS混凝土峰值應(yīng)力后的殘余強(qiáng)度，說(shuō)明對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土比粒徑大的EPS混凝土具有更好的緩沖性能。從圖7～圖10中可以看出，EPS混凝土平臺(tái)區(qū)段都比較小，主要是由于混凝土基材是脆性材料，塑性變形比較小，孔壁通過(guò)脆性壓損而破壞。

圖11和圖12分別是粒徑為3 mm和1 mmEPS混凝土的峰值應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系。從圖中可以看出，EPS混凝土的峰值應(yīng)力隨EPS顆粒體積含量的增加而顯著降低，并且隨EPS顆粒體積含量的增加，其峰值應(yīng)力變化逐漸減小。從圖11和圖12中可以看出，對(duì)于體積含量為40%、粒徑分別為3 mm和1 mm的EPS混凝土，其峰值應(yīng)力分別在19 MPa～26 MPa之間和20 MPa～23 MPa之間，EPS顆粒粒徑的大小對(duì)峰值應(yīng)力影響很小，即隨EPS顆粒含量的增加，EPS混凝土粒子尺寸效應(yīng)逐漸消失;由于EPS混凝土的破壞主要有兩種形式:脆性破壞和延性破壞［8]，脆性破壞是由大量的微裂紋相互結(jié)合形成相互貫通可控制強(qiáng)度的宏觀裂縫所引起的，而延性破壞是由于大量分布的微裂紋所引起的;隨EPS含量的增加，EPS顆粒周圍混凝土基體中微裂紋的數(shù)量急劇增加，在高體積含量的EPS混凝土中，其破壞時(shí)，大量微裂紋沒(méi)有相互結(jié)合形成貫穿裂縫，所以EPS顆粒粒徑的影響比較小。圖13是體積含量分別為10%和40%、粒徑為1 mm的EPS混凝土破壞形態(tài)。

圖9 粒徑1mm、含量30%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 30 EPSgranular

圖10 粒徑1mm、含量40%的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curves at different strain rates for EPSconcrete containing 1mm、percent 40 EPSgranular

圖11 3mm粒徑的EPS混凝土峰值應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系Fig.11 Peak stress-vs.strain rate curve containing 3mm EPSbeads.

圖12 1mm粒徑的EPS混凝土峰值應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系Fig.12 Peak stress-vs.strain rate curve containing 1mm EPSbeads

圖13 1mm粒徑、體積含量為40%的EPS混凝土兩種破壞形式:脆性破壞和延性破壞Fig.13 Two broken EPSconcrete specimens for percent 40 EPSvolume fractions containing 1mm EPSgranular:quasi-brittle failure mode and ductile failure mode

3 結(jié)論

(1)不同粒徑、不同體積含量的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系在本文所測(cè)定的前兩個(gè)應(yīng)變率下表現(xiàn)出明顯的三個(gè)不同的階段:彈性區(qū)，近似平臺(tái)區(qū)，致密區(qū)，但是隨應(yīng)變率的增加，這一特性會(huì)逐漸消失;并且對(duì)同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土平臺(tái)區(qū)表現(xiàn)得更明顯。

(2)隨應(yīng)變率的增加，EPS混凝土在峰值應(yīng)力后留有長(zhǎng)長(zhǎng)的“尾巴”，并且對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土峰值應(yīng)力后的“尾巴”強(qiáng)度要大于粒徑大的EPS混凝土峰值應(yīng)力后的“尾巴”的強(qiáng)度。

(3)對(duì)于不同粒徑的EPS混凝土，隨EPS顆粒體積含量的增加，其粒子尺寸效應(yīng)逐漸消失。

(4)對(duì)于同樣體積含量的EPS混凝土，粒徑小的EPS混凝土比粒徑大的EPS混凝土具有更好的緩沖性能。

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