橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究

李建舉，張魯渝，唐兵，朱涵

（1.空軍第八空防工程處，四川成都611431；2.天津大學，天津300072）

橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究

李建舉1，張魯渝1，唐兵1，朱涵2

（1.空軍第八空防工程處，四川成都611431；2.天津大學，天津300072）

采用大直徑分離式霍普金森壓桿裝置對不同配比的橡膠集料混凝土進行了多應變率動態壓縮力學性能試驗，得到了不同應變率下的動態應力-應變曲線，并利用高速攝像機記錄了不同氣壓下試件的微觀破壞形態。試驗結果表明，針對同一應變率，普通混凝土的峰值應力遠高于橡膠集料混凝土的峰值應力，但后者的極限應變遠大于前者的極限應變，橡膠集料混凝土的抗沖擊性能優于普通混凝土。

橡膠集料混凝土；霍普金森壓桿；應力應變；砂石骨料

橡膠集料混凝土也被稱為彈性混凝土，是一種由橡膠集料、砂石骨料、水泥漿體、礦物摻加料及外加劑組成的多相水泥基復合材料，是在多組分水泥基混凝土基礎上融入一定量的柔性成分，從而使其不僅具有普通混凝土的基本性能，而且具有了良好的柔性和塑性，破壞模式由脆性破壞變成延性破壞，同時，有很高的阻尼性能和能量吸收能力，且抗變形能力強的新型混凝土材料。該材料可廣泛應用到軍用機場道面建設中，研究該材料的抗沖擊性能對提高軍用機場道面抗打擊能力、作戰機場保障水平和防護能力具有重要的現實意義。

橡膠集料混凝土中橡膠顆粒作為細小的料群，起著類似彈性纖維的作用，能減小體系的各種應力和約束微觀裂紋，從而減少裂紋產生、阻止或減緩微裂紋發展，同時，吸收大量的振動能，明顯改善混凝土的抗沖擊性能和減震性能。

目前，國內研究和評價混凝土抗沖擊性能的試驗方法主要有分離式霍普金森（SHPB）沖擊壓縮試驗和落錘/擺錘類沖擊試驗。采用第一種方法主要對象是水泥混凝土，對橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究未見有報道。研究橡膠集料混凝土抗沖擊性能的文獻較少，彰旸采用U形沖擊試驗對橡膠集料混凝土的抗沖擊性能進行了研究，然而，采用的是落錘類設備。本文采用分離式霍普金森（Hopkinson）沖擊壓縮試驗對橡膠集料混凝土的抗沖擊性能進行探索性研究，同時，對橡膠集料混凝土和水泥混凝土進行了對比試驗，獲得了兩種混凝土材料的動態應力應變曲線以及與應變率之間的關系，并分析了橡膠集料混凝土與普通混凝土的抗沖擊性能差異。試驗結果表明，橡膠集料混凝土抗沖擊性能優于普通混凝土。

1 試驗方案及原理

1.1 試驗試件制作

試驗用試件配合比按照《民用機場飛行區水泥混凝土道面面層施工技術規范》（MH 5006—2015）要求進行設計，配合比及28 d抗折強度如表1所示。抗沖擊試驗試件規格為?100×50 mm，每種配合比制作一組試件（每組3塊）并進行了標準養護。

表1 試驗配合比及抗折強度

1.2 試驗方法及原理

霍普金森壓桿裝置（SHPB）可以方便地記錄加載脈沖的應力-應變、應力-時間、應變率-時間的動態曲線，研究應變率敏感材料的動態特性與應變率歷史等。SHPB試驗在金屬材料的動力特性測試方面取得廣泛應用，其試驗裝置包括壓桿、加熱裝置、測量系統、數據采集系統和數據處理系統，如圖1所示，設備實物如圖2.

在圖2中，“A”為發射裝置簡介，“B”為發射時入射桿端與炮口距離，“C”為氣源供給（壓氣機）。

式（1）中：E為壓桿的彈性模量；A0為壓桿的橫截面面積；AS為試樣的截面面積；C0為桿中一維應力波的傳播速度；lS為試樣的高度。

由一維應力波理論有以下公式：

圖1 分離式霍普金森壓桿裝置示意圖

圖2 設備組裝圖

2 試驗數據分析

本文給出了各試樣的應力應變曲線圖以及對應試樣破壞過程圖，如圖3～圖10，4種試樣對比如圖11所示。各試樣曲線圖中曲線部分的標注“50/s、70/s、110/s”是動態應變率，單位為秒的負一次方，可表示為1/s或s-1.

3 結論

本文采用大直徑分離式霍普金森壓桿裝置對不同橡膠顆粒含量的混凝土進行了多應變率動態壓縮力學性能試驗，得到了同一類試件在不同應變率下的動態應力-應變曲線，并利用高速攝像機記錄了不同氣壓下試件的微觀破壞形態。

圖3 a試樣應力應變曲線

圖4 a試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖5 A試樣應力應變曲線

圖6 A試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖7 B試樣應力應變曲線

圖8 B試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖9 H試樣應力應變曲線

通過對試驗數據和微觀破壞形態的分析，可得出以下結論：①橡膠混凝土與普通混凝土都是應變率敏感材料，其峰值應力、極限應變均表現出顯著的應變率強化效應。②通過4種試樣曲線對比圖發現，對于同一應變率水平，普通混凝土的峰值應力遠高于橡膠混凝土的峰值應力，但橡膠混凝土的極限應變遠大于普通混凝土的極限應變。這說明了摻入橡膠顆粒的混凝土抗壓強度降低，但其抗沖擊性能優于普通混凝土，即吸能能力高。③通過微觀破壞形態圖發現，高速沖擊下普通混凝土易出現貫穿的縱向裂紋，而摻入橡膠顆粒的混凝土在沖擊荷載下的裂紋較雜亂無序，這是由于橡膠顆粒在變形過程中阻礙了裂紋的縱向擴張，從而提高了混凝土的韌性。④通過微觀破壞形態圖發現，在0.2 MPa和0.3 MPa沖擊荷載下，同一類試件的微觀裂紋擴展差異不大，說明應變率只對試件的抗壓力學性能有較大影響，對其微觀破壞形態影響較小。

圖10 H試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖11 四種試樣曲線對比圖

［1］鄭秋，霍靜思，陳柏生，等.不同溫度下鋼管混凝土沖擊力學性能試驗研究［J］.工程力學，2009，26（05）.

［2］孟益平，胡時勝.混凝土材料沖擊壓縮試驗中的一些問題［J］.試驗力學，2003，18（02）.

［3］章旸，朱涵，曹邦海.“新型U形混凝土沖擊試驗方法”［J］.低溫建筑技術，2012（03）.

〔編輯：張思楠〕

TU528.2

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.042

2095－6835（2017）16－0042－03