聚苯乙烯混凝土動態劈裂實驗＊

胡 俊，巫緒濤

(1.安徽建筑工業學院土木工程學院，安徽 合肥 230601;2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

輕質混凝土被越來越廣泛地應用于現代結構工程中。目前，用于配制混凝土的輕質骨料主要有2類:一類是天然的骨料，如浮石、硅藻土等;另一類是人造的骨料，如膨脹珍珠巖、膨脹頁巖、EPS顆粒等。EPS顆粒是一種輕質、內部含有不連續空氣的泡沫，將EPS顆料摻入砂漿或混凝土中能制備不同表觀密度的輕質混凝土［1］。為了更好地開展對EPS混凝土這種新型復合材料的緩沖吸能研究，必須對其力學性能進行研究，才能為其緩沖吸能特性研究提供有效的本構關系和材料性能參數。

由于EPS混凝土的抗拉強度遠小于其抗壓強度，在受載時經常會發生拉伸破壞，并且這種破壞往往與加載率(應力率)有關，因此動態拉伸強度是EPS混凝土力學性能的重要指標之一。考慮到直接拉伸實驗受加載條件的限制，因此混凝土的拉伸強度一般由間接拉伸實驗得出。巴西圓盤拉伸實驗(劈裂實驗)被廣泛應用于混凝土抗拉強度的測試中，許多國際混凝土規范(ASTM C-496、ISO4105、BS1881-117等)都采用劈裂實驗作為測定混凝土拉伸強度的標準方法［2-4］。

高應變率下，EPS混凝土動態劈裂性能研究應該考慮波傳播的影響。對動態劈裂拉伸實驗的完整評價至少須考慮3個關鍵問題:彈性行為的假設、隨時間變化試樣內應力分布的情況以及破壞模式［5］。目前對EPS混凝土動態力學性能測試主要采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)，利用該設備測量巴西圓盤EPS混凝土動態拉伸強度，可以研究EPS混凝土動態拉伸強度與加載率之間的關系。

本文中主要利用材料試驗機和SHPB裝置測得EPS混凝土準靜態和動態下的劈裂拉伸強度，得到EPS混凝土劈裂強度隨加載率變化的一些規律，同時分析EPS混凝土劈裂破壞特征。

1 試樣的制備

1.1 原材料與配比

水泥:強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強度為48.4 MPa，密度為3.1 t/m3。粗骨料:石子公稱粒徑為5～10 mm，泥的質量含量為0.3%。細集料:采用河沙，細度模數為2.5，表觀密度為2660 kg/m3。EPS顆粒:直徑3.0 mm，密度 18 kg/m3;直徑 1.0 mm，密度 30 kg/m3。減水劑:聚羧酸高效減水劑。水灰質量比為0.27，其他配合比如表1所示，其中w(水泥)、w(水)、w(石)、w(砂)、w(EPS)、w(減水劑)分別為水泥、水、石、砂、EPS、減水劑在EPS混凝土中的體積質量，d(EPS)為EPS顆粒的粒徑，v(EPS)為EPS在EPS混凝土中的體積含量。

表1 EPS混凝土的配比Table 1 Proportion of EPS concrete mixes

1.2 試樣制作

采用30 L的攪拌機進行拌合。先將砂、水泥加入攪拌機中拌合2 min;接著加入石子拌合2 min;然后加入EPS顆粒拌合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5～10 min，將均勻的EPS混凝土拌合物裝入模具振搗成型。24 h后脫模，用鋁紙包好放在標準養護室養護28 d。試樣采用直徑為70 mm、高度為35 mm的圓柱體。

1.3 實驗原理及裝置

圖1 巴西圓盤對徑壓縮Fig.1 Dimetral compression on the Brazilian disc

1.3.1 實驗原理

由彈性理論可以知道，巴西圓盤試樣在準靜態對徑壓縮下，如圖1所示，試樣加載直徑上(施力點附近除外)的應力狀態為

式中:σc為壓縮應力;σt為拉伸應力;d、h分別為圓盤的直徑和厚度;r為從加載點到微單元點的距離。試樣的拉伸強度可通過實驗中測得的最大載荷代入式(1)中的第2式進行計算。本文中取壓應力為正。

圖2 SHPB裝置示意圖Fig.2 Schematic of the SHPB setup

1.3.2 實驗裝置

準靜態劈裂實驗在材料試驗機上進行，動態劈裂實驗在SHPB裝置上進行，實驗裝置見圖2。輸入桿、輸出桿與試樣直接接觸處由于應力集中產生的壓應力極高，容易引起該處EPS混凝土的破壞，造成試樣不是由中心起裂破壞，這與巴西實驗的基本原理不符。對此，在試樣兩端加上鋼墊塊，墊塊的角度為20°，把集中力改為均布力，改善接觸部位的受力狀態，見圖3。根據Griffith強度準則計算的相當應力在中心最大，并從圓心開始隨半徑增大而逐漸減小，故可以保證中心起裂［6-7］。

常規SHPB實驗中，陡峭的梯形脈沖容易導致試樣在小變形下的嚴重應力不均勻。對于脆性材料，斜坡加載波形有助于試樣中應力均勻，所以在EPS混凝土SHPB劈裂實驗中，采用了脈沖整形技術，典型入射、反射、透射波形見圖4。

圖3 改進的巴西圓盤對徑壓縮Fig.3 Dimetral compression on the modified Brazilian disc

圖4 動態實驗中典型的記錄信號Fig.4 Typical oscilloscope signals in SHPB experiments

2 實驗結果及分析

由于EPS混凝土的拉伸強度與應力率(加載速率)密切相關，應力率的定義為拉伸應力對時間的導數，為了簡便起見，計算加載速率時采用近似公式σ·=σt/t，式中t為試樣拉伸破壞時間，是試樣達到最大載荷即拉伸強度所用的時間;σt為試樣劈裂拉伸強度。

圖5給出了EPS體積分數分別為0.1、0.2、0.3、0.4的EPS混凝土劈裂強度與應力率之間的關系。從圖中可以看出，隨應力率的增大，EPS混凝土的劈裂強度逐漸增大;隨EPS顆粒體積分數的增加，其劈裂強度逐漸降低。從圖5(a)中可以看出，對于EPS體積分數為0.1的EPS混凝土，EPS粒徑為1 mm的EPS混凝土的劈裂強度略微大于EPS粒徑為3 mm的EPS混凝土的劈裂強度，EPS混凝土劈裂強度表現出粒子尺寸效應，即EPS顆粒粒徑的大小對EPS混凝土的劈裂強度有影響，對于同樣密度的EPS混凝土，劈裂強度隨EPS顆粒粒徑的減小而增大。而從圖5(b)～(d)中可以看出，對于EPS體積分數分別為0.2、0.3、0.4的EPS混凝土，這種粒子尺寸效應不明顯。這主要是由于EPS顆粒大小對裂紋擴展的影響作用不同。隨EPS體積分數的增加，應力率對EPS混凝土劈裂強度的影響減小。另外，隨EPS體積分數的增加，EPS混凝土的抗壓強度降低，容易在試樣兩端產生局部壓碎破壞，見圖6。

圖6展示了SHPB實驗中EPS混凝土試樣的破壞形態。把中心起裂并隨后沿垂直加載直徑擴展的裂紋叫主裂紋，把在其他部位起裂和擴展的裂紋叫次生裂紋。如果試樣的初始破壞主要由主裂紋引起，認為實驗有效，反之，實驗無效。圖6(a)為試樣在準靜態下的破壞形態，從圖中可以看出，在準靜態下試樣基本是從中心開裂，試樣中沒有出現次生裂紋;圖6(b)是在較小沖擊速度下的試樣破壞形態，從圖中可以看出，試樣中有一條沿加載直徑的主裂紋，同時還有其他次生裂紋，但試樣兩端沒有出現破壞，破壞形式較理想;圖6(c)是在較高沖擊速度下試樣的破壞形態，試樣基本沿撞擊方向破裂為兩半，并在試樣與2個墊塊接觸處有三角形區域的粉碎情況，主要是由于在高速撞擊下，在試樣兩端與墊塊接觸處產生應力集中而導致試樣在兩端被壓碎而破壞，但從試樣破壞形態看，試樣的破壞主要是由于沿加載直徑方向的劈裂而引起的。

圖5 不同EPS體積分數的EPS混凝土的劈裂強度隨應力率的變化Fig.5 Variation of splitting strength with stress rate for EPS concrete with different EPS volume concentration

圖6 SHPB實驗中EPS混凝土試樣的破壞形式Fig.6 Splitting failure patterns of EPS concrete specimens in SHPB experiments

3 結論

(1)通過設計合適的墊塊，可以改善加載處的應力狀態，加大沖擊桿與試樣的接觸面積，減弱應力集中，有利于試樣的變形均勻，使試樣不會在開裂前由于兩端壓碎破壞而失效。

(2)通過對EPS體積分數不同、粒徑大小不同的EPS混凝土的動態劈裂強度的測定發現，EPS混凝土劈裂強度隨應力率的增大而增大，但隨體積分數的增加，應力率對EPS混凝土劈裂強度的影響減小;在EPS體積分數為0.1時，EPS混凝土的劈裂強度表現出一定程度的粒子尺寸效應，但在EPS體積分數為0.2、0.3、0.4 時，這一現象不明顯。

(3)分析試樣破壞形態可知，在彈速較小時，試樣基本是從中心開裂;但隨彈速的增大，試樣兩端由于應力集中會出現局部壓碎，所以設計合適的墊塊，改善兩端的受力狀態對實驗具有重要意義。

［1］Ramamurthy K，Kunhanandan Nambiar E K，Indu Siva Ranjani G.A classification of studies on properties of foam concrete［J］.Cement＆ Concrete Composites，2009，31(6):388-396.

［2］American Society for Testing and Materials(ASTM).Standard test method for splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens［S］.ASTM C496-90，1991，4:266-269.

［3］British Standards Institution.BS 1881:Part 117:Testing concrete method for the determination of tensile splitting strength［S］.London:British Standards Institution，1983.

［4］ISO 4108(E)Concrete:Determination of tensile splitting strength of test specimens［S］.International Standard，1980:1-3.

［5］Rodríguez J，Navarro C，Sánchez-Gálvez V.Splitting tests:An alternative to determine the dynamic tensile strength of ceramic materials［J］.Journal de Physique IV，1994，4(c8):101-106.

［6］王啟智，賈學明.用平臺巴西圓盤試樣確定脆性巖石的彈性模量、拉伸強度和斷裂韌度——第一部分:解析與數值結果［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9):1285-1289.WANG Qi-zhi，JIA Xue-ming.Determination of elastic modulus，tensile strength and fracture toughness of brittle rocks by using flattened Brazilian disc specimen—Part I:Analytical and numerical results［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9):1285-1289.

［7］王啟智，吳禮舟.用平臺巴西圓盤試樣確定脆性巖石的彈性模量、拉伸強度和斷裂韌度——第二部分:實驗結果［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(2):199-204 .WANG Qi-zhi，WU Li-zhou.Determination of elastic modulus，tensile strength and fracture toughness of brittle rocks by using flattened Brazilian disc specimen—Part II:Experimental results［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(2):199-204.