橡膠水泥混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王永杰 魏士貞 魏國(guó)振 楚琪

[摘要] 在水泥混凝土中摻入適量的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，可較好地改善混凝土的韌性、抗沖擊性能。通過(guò)利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)機(jī)，以動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力為主要指標(biāo)對(duì)橡膠水泥混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，橡膠水泥混凝土具有良好的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，可在公路、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程中推廣應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] 橡膠水泥混凝土；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；SHPB；峰值應(yīng)力

[中圖分類(lèi)號(hào)] TU528 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A[文章編號(hào)] 2095-4085（2012）-06-0095-03

在水泥混凝土中摻入適量的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，并將其應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面工程，是目前道路建筑材料研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。它對(duì)改善混凝土的韌性、抗沖擊性能，有效解決水泥混凝土的缺陷對(duì)機(jī)場(chǎng)道面產(chǎn)生的不利影響具有重大意義。

在材料的動(dòng)力學(xué)性能研究方面，分離式Hopkinson壓桿（SHPB）試驗(yàn)技術(shù)是一種應(yīng)用較為普遍且效果較好的試驗(yàn)技術(shù)。通過(guò)利用SHPB對(duì)橡膠水泥混凝土抗沖擊壓縮性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析橡膠的加入對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，指導(dǎo)其工程應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用橡膠粉規(guī)格分別采用40目、80目、120目橡膠粉，表觀密度為1030kg/m3；水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)所用的細(xì)集料為河砂，最大粒徑為5mm，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2650kg/m3；粗集料采用粒徑為4.75～9.5mm的級(jí)配碎石，表觀密度為2700kg/m3；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水；減水劑為MN萘系高效減水劑。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

在本文的橡膠水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)中，橡膠粉取代方法為：以等體積橡膠粉取代砂和石料，并保持基準(zhǔn)配合比中的砂率不變。試驗(yàn)方案中基準(zhǔn)混凝土配合比為水泥：水：砂：石=1：0.45：1.84：3.64。在保持基準(zhǔn)配合比中水泥用量、水灰比和外加劑的用量不變的條件下，將A類(lèi)（40目）、B類(lèi)（80目）、C類(lèi)（120目）橡膠粉摻入混凝土中，等體積取代砂和石料，并保持砂和石料的比例不變。橡膠粉的摻量分別為15kg/m3、30kg/m3、60kg/m3、90kg/m3、110kg/m3，共設(shè)計(jì)16組配合比。制作尺寸為φ70mm×35mm圓柱體試件，進(jìn)行SHPB動(dòng)力試驗(yàn)。

1.3 橡膠水泥混凝土SHPB試驗(yàn)

利用直徑為74mm的SHPB裝置，對(duì)16組橡膠水泥混凝土圓柱體試件在4種不同的加載波下進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，得到橡膠水泥混凝土在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，研究不同試驗(yàn)應(yīng)變率下橡膠粉粒徑和摻量對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響，分析橡膠水泥混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1.3.1試驗(yàn)過(guò)程及注意事項(xiàng)

SHPB試驗(yàn)儀器選用中國(guó)科技大學(xué)研制的直徑為74mm的直錐變截面大直徑SHPB裝置。輸入桿、輸出桿長(zhǎng)度分別為2.7m、1.8m。子彈直徑為37mm，采用壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，磁助電接點(diǎn)壓力表控制，氣壓連續(xù)可調(diào)，控制方便。輸入桿和輸出桿均采用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變信號(hào)，電阻值通過(guò)電橋來(lái)確定放大器對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。如果不進(jìn)行提前標(biāo)定，試驗(yàn)時(shí)只能得到示波器上顯示的放大后的信號(hào)大小，不知道放大倍數(shù)是無(wú)法具體獲取原始信號(hào)的數(shù)值的。靜態(tài)標(biāo)定時(shí)需要不斷調(diào)節(jié)增益的大小，直到輸出信號(hào)可以恰當(dāng)?shù)娘@示在示波器的界面上。靜標(biāo)定見(jiàn)表1。

（5）安放子彈和試件。試驗(yàn)過(guò)程中為了降低摩擦，在試樣的兩個(gè)端面均涂抹凡士林。

（6）調(diào)節(jié)氣壓進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中對(duì)壓氣槍所施加的氣壓分別為0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa（分別對(duì)應(yīng)加載波1、2、3、4），以獲得不同應(yīng)變率下試樣的動(dòng)力學(xué)性能。

（7）采集、處理數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存、導(dǎo)出，采用中國(guó)科技大學(xué)提供的軟件進(jìn)行處理。在處理過(guò)程中，需要特別注意波形的重置和波位的計(jì)算，這樣才能得到正確的波形計(jì)算點(diǎn)，獲得理想的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

1.3.2 試驗(yàn)波形曲線、試件破壞形式與試驗(yàn)結(jié)果列表

對(duì)16組不同配合比的試件在4種加載波下進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，試件出現(xiàn)了六種破壞形態(tài)，即表面完好、細(xì)裂紋、邊緣開(kāi)裂、破裂、破碎、粉碎。試驗(yàn)采集典型波形曲線示例見(jiàn)圖1。

橡膠水泥混凝土在不同的應(yīng)變率下進(jìn)行SHPB試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)結(jié)果和破壞形態(tài)以120目為例列出見(jiàn)表2。由于在同一觸發(fā)氣壓下，試件的應(yīng)變率相似，因此將觸發(fā)氣壓相同的試件歸為應(yīng)變率相同的一組進(jìn)行分類(lèi)編號(hào)。例如，C15-1表示橡膠粉為120目摻量為15kg/m3的試件，試驗(yàn)觸發(fā)氣壓為0.2MPa，以此類(lèi)推。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變率對(duì)橡膠水泥混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響

在混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究中，不同應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)沖擊的峰值壓力相對(duì)于靜態(tài)破壞壓力的提高值[1]是其一重要指標(biāo)。根據(jù)歐洲混凝土委員會(huì)（CEB）采取的動(dòng)態(tài)因數(shù)（DIF）—應(yīng)變率關(guān)系[2]，本文中采取下面的公式分析混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)：

式中：α、β表示擬合的參數(shù)，κ為分界點(diǎn)應(yīng)變率，ε為動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)變率，fcs為準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度，εs為相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度的應(yīng)變。

根據(jù)公式并運(yùn)用試驗(yàn)中得到的C類(lèi)橡膠水泥混凝土的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求出公式中的參數(shù)，最后得出動(dòng)態(tài)因數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系式。由于公式中κ值一般小于20，而本文中試驗(yàn)的應(yīng)變率值大于20，因此，只用公式中第二個(gè)公式進(jìn)行擬合，靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)變率εs取值為5×10-5。根據(jù)DIF與ε/εs對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用軟件可以得到DIF與ε/εs對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖。對(duì)其進(jìn)行擬合結(jié)果如圖2所示，其中縱軸表示動(dòng)態(tài)因數(shù)、橫軸表示ε/εs。

圖2 擬合曲線和散點(diǎn)圖

根據(jù)DIF與ε/εs的對(duì)應(yīng)關(guān)系，擬合曲線后求出參數(shù)，y=0.05661，β=0.23166得到擬合方程：

擬合的相關(guān)系數(shù)R-square：-0.80724，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.00495。說(shuō)明了擬合的方程與實(shí)際結(jié)果有較大的相關(guān)性。

分析計(jì)算結(jié)果和擬合曲線，可以得到如下結(jié)論：橡膠水泥混凝土表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，即動(dòng)態(tài)因數(shù)（DIF）隨著應(yīng)變率的增大而增大。相應(yīng)的，混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力也隨著應(yīng)變率的增大而增大。

2.2 橡膠粉粒徑對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響

圖3給出了固定加載波（以加載波3、4為例）下，當(dāng)摻量一定時(shí)，橡膠水泥混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與粒徑的關(guān)系。從圖中可以看出，與靜態(tài)抗壓峰值應(yīng)力不同，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著橡膠粉粒徑目數(shù)的增大而增大。而動(dòng)態(tài)因數(shù)也隨之增大，即可認(rèn)為動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的增速隨著橡膠粉粒徑目數(shù)的增大而增大，如加載波為4、摻量為15kg/m3時(shí)，C類(lèi)和B類(lèi)混凝土的峰值應(yīng)力分別較A類(lèi)混凝土高13.1%和8.5%，動(dòng)態(tài)因數(shù)分別較A類(lèi)混凝土高27.6%和11.8%。此外，各類(lèi)試件的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力均在摻量為60kg/m3時(shí)大幅下降。如加載波3時(shí)，A類(lèi)的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力由55.20MPa降到43.14MPa，降低幅度達(dá)22%。

圖3 橡膠粉粒徑——混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力關(guān)系曲線

2.3 橡膠粉摻量對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響

作為彈性體的橡膠粉，其強(qiáng)度相對(duì)于周?chē)幕炷粱w來(lái)說(shuō)幾乎可忽略不計(jì)，且作為有機(jī)材料，橡膠粉與混凝土在粘結(jié)面上粘結(jié)力降低。這些都導(dǎo)致動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的降低。圖4、5給出了C類(lèi)橡膠水泥混凝土在不同加載波下，橡膠粉摻量與動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、動(dòng)態(tài)因數(shù)的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，試件的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨摻量的增加而減??；但圖5表明，試件的動(dòng)態(tài)因數(shù)卻隨著橡膠粉摻量的增加而增大。

圖4 C類(lèi)混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與橡膠粉摻量關(guān)系曲線

圖5 C類(lèi)混凝土動(dòng)態(tài)因數(shù)與橡膠粉摻量關(guān)系曲線

3 結(jié)論

在水泥混凝土中摻入適量不同粒徑的橡膠粉制成橡膠水泥混凝土，以動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力為主要指標(biāo)通過(guò)SHPB試驗(yàn)對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究表明，橡膠水泥混凝土具有良好的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）橡膠水泥混凝土表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而增大；

（2）當(dāng)橡膠粉摻量一定時(shí)，橡膠水泥混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與膠粉粒徑成正比；

（3）橡膠混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨橡膠粉摻量的增加而減小，但其動(dòng)態(tài)因數(shù)則隨著橡膠粉摻量的增加而增大。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介王永杰（1970-），男，山東萊陽(yáng)人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程；魏士貞（1987-），男，山東肥城人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)防護(hù)工程；楚琪（1988-），男，安徽蒙城人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程。魏國(guó)振（1989-），男，山東肥城人，主要研究方向?yàn)榈鼗幚砼c加固；