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(xué)，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(xué)，天津300072）

采用大直徑分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)不同配比的橡膠集料混凝土進(jìn)行了多應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并利用高速攝像機(jī)記錄了不同氣壓下試件的微觀破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)同一應(yīng)變率，普通混凝土的峰值應(yīng)力遠(yuǎn)高于橡膠集料混凝土的峰值應(yīng)力，但后者的極限應(yīng)變遠(yuǎn)大于前者的極限應(yīng)變，橡膠集料混凝土的抗沖擊性能優(yōu)于普通混凝土。

橡膠集料混凝土；霍普金森壓桿；應(yīng)力應(yīng)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(fù)合材料，是在多組分水泥基混凝土基礎(chǔ)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(shí)，有很高的阻尼性能和能量吸收能力，且抗變形能力強(qiáng)的新型混凝土材料。該材料可廣泛應(yīng)用到軍用機(jī)場(chǎng)道面建設(shè)中，研究該材料的抗沖擊性能對(duì)提高軍用機(jī)場(chǎng)道面抗打擊能力、作戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)保障水平和防護(hù)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

目前，國內(nèi)研究和評(píng)價(jià)混凝土抗沖擊性能的試驗(yàn)方法主要有分離式霍普金森（SHPB）沖擊壓縮試驗(yàn)和落錘/擺錘類沖擊試驗(yàn)。采用第一種方法主要對(duì)象是水泥混凝土，對(duì)橡膠集料混凝土抗沖擊性能研究未見有報(bào)道。研究橡膠集料混凝土抗沖擊性能的文獻(xiàn)較少，彰旸采用U形沖擊試驗(yàn)對(duì)橡膠集料混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行了研究，然而，采用的是落錘類設(shè)備。本文采用分離式霍普金森（Hopkinson）沖擊壓縮試驗(yàn)對(duì)橡膠集料混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行探索性研究，同時(shí)，對(duì)橡膠集料混凝土和水泥混凝土進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，獲得了兩種混凝土材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線以及與應(yīng)變率之間的關(guān)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(yàn)結(jié)果表明，橡膠集料混凝土抗沖擊性能優(yōu)于普通混凝土。

1 試驗(yàn)方案及原理

1.1 試驗(yàn)試件制作

試驗(yàn)用試件配合比按照《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)水泥混凝土道面面層施工技術(shù)規(guī)范》（MH 5006—2015）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，配合比及28 d抗折強(qiáng)度如表1所示。抗沖擊試驗(yàn)試件規(guī)格為?100×50 mm，每種配合比制作一組試件（每組3塊）并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

表1 試驗(yàn)配合比及抗折強(qiáng)度

1.2 試驗(yàn)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(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力-時(shí)間、應(yīng)變率-時(shí)間的動(dòng)態(tài)曲線，研究應(yīng)變率敏感材料的動(dòng)態(tài)特性與應(yīng)變率歷史等。SHPB試驗(yàn)在金屬材料的動(dòng)力特性測(cè)試方面取得廣泛應(yīng)用，其試驗(yàn)裝置包括壓桿、加熱裝置、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示，設(shè)備實(shí)物如圖2.

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

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(yīng)力波的傳播速度；lS為試樣的高度。

由一維應(yīng)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(shè)備組裝圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文給出了各試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖以及對(duì)應(yīng)試樣破壞過程圖，如圖3～圖10，4種試樣對(duì)比如圖11所示。各試樣曲線圖中曲線部分的標(biāo)注“50/s、70/s、110/s”是動(dòng)態(tài)應(yīng)變率，單位為秒的負(fù)一次方，可表示為1/s或s-1.

3 結(jié)論

本文采用大直徑分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)不同橡膠顆粒含量的混凝土進(jìn)行了多應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了同一類試件在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并利用高速攝像機(jī)記錄了不同氣壓下試件的微觀破壞形態(tài)。

圖3 a試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 a試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖5 A試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 A試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖7 B試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8 B試樣攝像截取圖（氣壓0.2 MPa）

圖9 H試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和微觀破壞形態(tài)的分析，可得出以下結(jié)論：①橡膠混凝土與普通混凝土都是應(yīng)變率敏感材料，其峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。②通過4種試樣曲線對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一應(yīng)變率水平，普通混凝土的峰值應(yīng)力遠(yuǎn)高于橡膠混凝土的峰值應(yīng)力，但橡膠混凝土的極限應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通混凝土的極限應(yīng)變。這說明了摻入橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度降低，但其抗沖擊性能優(yōu)于普通混凝土，即吸能能力高。③通過微觀破壞形態(tài)圖發(fā)現(xiàn)，高速?zèng)_擊下普通混凝土易出現(xiàn)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(kuò)張，從而提高了混凝土的韌性。④通過微觀破壞形態(tài)圖發(fā)現(xiàn)，在0.2 MPa和0.3 MPa沖擊荷載下，同一類試件的微觀裂紋擴(kuò)展差異不大，說明應(yīng)變率只對(duì)試件的抗壓力學(xué)性能有較大影響，對(duì)其微觀破壞形態(tài)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(duì)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(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2009，26（05）.

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

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

〔編輯：張思楠〕

TU528.2

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.042

2095－6835（2017）16－0042－03