高抗沖擊綠色水泥混凝土設(shè)計方案研究

汪浩 張景怡

摘要：以提升水泥混凝土抗沖擊性能為目的，通過改善組分作用機理分析，選擇固體廢棄物（瀝青路面再生骨料）制備“綠色”水泥混凝土。基于水泥混凝土基礎(chǔ)配合比，采用40%、60%、80%和100%摻量瀝青路面再生骨料等質(zhì)量代替碎石進行配合比設(shè)計，提出高抗沖擊的“綠色”水泥混凝土的試驗設(shè)計方案。

關(guān)鍵字：水泥混凝土;再生骨料;抗沖擊性能;試驗設(shè)計

0 引言

水泥混凝土材料目前廣泛應(yīng)用于城市建筑、道路、橋梁等，具有強度高、剛性大的特點。對使用期水泥混凝土構(gòu)件荷載作用分析發(fā)現(xiàn)，在其服役期內(nèi)不僅受到靜力荷載作用，還會受到頻繁或偶發(fā)的沖擊動載作用。根據(jù)水泥混凝土應(yīng)用的場景不同，包括交通車輛行駛、飛機起飛及降落、海浪沖擊等各種沖擊動荷載，這些沖擊荷載由于其偶發(fā)性，在設(shè)計過程中應(yīng)給予考慮。傳統(tǒng)水泥基混凝土材料由碎石、砂、水泥、水按一定配比組成，其結(jié)構(gòu)內(nèi)存在少量微觀缺陷，在沖擊荷載作用下，混凝土的原始缺陷和有限的變形能力導(dǎo)致微裂縫的快速擴展貫通，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)迅速破壞，造成嚴(yán)重后果[1～2]。因此，在傳統(tǒng)水泥基材料中摻配非傳統(tǒng)組分來改善水泥混凝土服役期間的結(jié)構(gòu)抗沖擊性能值得深入研究，研究通過對沖擊性能試驗、沖擊性能改善組分選擇，進行抗沖擊性能綠色水泥混凝土設(shè)計方案研究。

1 沖擊性能試驗方法選擇

沖擊性能是指水泥混凝土在承受沖擊荷載作用下，材料內(nèi)部吸收動能的能力。沖擊性能作為評價水泥混凝土動態(tài)力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，其沖擊性能試驗方法、評價指標(biāo)選擇是非常必要的。目前常采用的沖擊性能試驗方法包括：分離式霍普金森壓桿法、落錘沖擊試驗、射彈沖擊試驗、夏比擺錘沖擊試驗、爆炸沖擊試驗等。

1.1 分離式霍普金森壓桿法

分離式霍普金森壓桿法（The Split Hopkinson Pressure Bar，簡稱SHPB）是由早期霍普金森壓桿技術(shù)發(fā)展而來的，該方法利用壓桿技術(shù)測量材料動態(tài)性能，在高應(yīng)變率下測試其性能，并建立應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。SHPB試驗以一維彈性應(yīng)力波理論作為理論基礎(chǔ)，以一維應(yīng)力波假設(shè)和均勻性假設(shè)兩個基本假設(shè)為前提，根據(jù)不同試驗?zāi)康模瑢⒃囼灧椒ㄟM行改裝以滿足需求。

1.2 夏比擺錘沖擊法

這種測試抗沖擊性能的試驗方法來自于對金屬材料的測試，通過能量守恒，使擺錘在不同高度上下落，測試其沖擊性能。儀器組成包括機架、擺錘、操縱機構(gòu)和電控系統(tǒng)等組成，由于這種測試方法容易受到諧波和尺寸影響，導(dǎo)致測試結(jié)果差異性較大，采用這種測試方法的研究較少。

1.3 射彈沖擊法

此種測試方法適用于板式混凝土的抗沖擊性能測試，屬于高速率沖擊試驗方法。試驗中，并以氮氣、氦氣和氫氣等高壓氣體做驅(qū)動彈射子彈，使其以高速率沖擊混凝土板，通過子彈碰撞板體時產(chǎn)生的應(yīng)力，采集應(yīng)力波形成的波形信息判斷動態(tài)性能。這種試驗方法裝置簡單，應(yīng)用靈活，但在高速率沖擊下，試件破壞時產(chǎn)生崩碎和散濺，存在風(fēng)險和危險性。

1.4落錘沖擊法

大多關(guān)于混凝土抗沖擊性能的研究利用落錘沖擊試驗方法，通過記錄初裂沖擊壽命和破壞沖擊壽命值的大小評價抗沖擊性能，落錘沖擊法設(shè)備簡單、容易操作，成本相對較低，得到廣泛的使用。研究也將基于落錘沖擊試驗的基本原理，對混凝土動態(tài)抗沖擊性能試驗方案進行設(shè)計。

2 改善組分選擇

在水泥基組分中引入各種非傳統(tǒng)組分來改善混凝土的抗沖擊性能。目前，引入的組分大體可分為吸能顆粒和纖維材料兩大類。

2.1 吸能顆粒

影響抗沖擊性能的主要因素是材料的吸能及耗能能力，由于混凝土材料本身的吸能能力十分有限，通常采用摻入一定比例的吸能顆粒組分的方法來提高其吸能能力，進而優(yōu)化其抗沖擊性能。常用的吸能顆粒材料有橡膠顆粒、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、空心鋁球等。

橡膠顆粒是最常見的顆粒吸能材料，研究表明摻入一定量的橡膠顆粒能明顯提高混凝土的抗沖擊能力[3～4]。通過鋼球沖擊試件前后的勢能變化作為能量吸收值來衡量混凝土的抗沖擊性能，結(jié)果表明橡膠顆粒的摻入能夠增加混凝土的彈性，進而提高混凝土在沖擊荷載作用下的吸能能力。

除橡膠顆粒外，采用聚苯乙烯泡沫（EPS）顆粒也可以改善混凝土的抗沖擊性能，由于EPS顆粒在混凝土中的置換效應(yīng)和空間效應(yīng)，EPS能顯著提高混凝土的沖擊韌性，當(dāng)摻入適量EPS顆粒后，混凝土能夠獲得最佳的抗沖擊韌性。同時，對比柔性的EPS顆粒和硬質(zhì)空心鋁球?qū)炷量箾_擊性能的作用效果，并且EPS效果更佳，表明柔性顆粒對改善混凝土抗沖擊性能的效果更顯著。

但是，由于吸能顆粒與混凝土其他組分相比具有較低的彈性模量，將其代替混凝土傳統(tǒng)組分后，會導(dǎo)致混凝土強度的下降。因此，為保證必要的混凝土結(jié)構(gòu)強度，吸能顆粒在在混凝土中摻配比例需試驗得到，且有最大摻量限制。通過引入吸能顆粒組分來改善水泥混凝土抗沖擊性能時，一定要綜合考慮其對混凝土結(jié)構(gòu)強度降低帶來的不利影響。

2.2 纖維材料

由于吸能顆粒在改善混凝土抗沖擊性能的同時會引起其強度的一定損失，為使在優(yōu)化混凝土抗沖擊性能的同時不顯著降低其力學(xué)強度，纖維類材料可作為理想的改善組分材料，常用于混凝土中的纖維類增強材料包括聚丙烯纖維（PPF），聚乙烯醇纖維（PVAF），玄武巖纖維（BF）、鋼纖維（SF）等。

纖維材料摻入混凝土后能夠有效提高混凝土的抗沖擊性能，并能夠保證其力學(xué)強度。其對混凝土抗沖擊性能的影響與材料本身的物理力學(xué)性能、纖維形狀、摻量、分散效果及與水泥石間粘結(jié)強度相關(guān)。

纖維材料能夠改善混凝土抗沖擊性能根本原因在于纖維對沖擊荷載作用下裂縫的擴展有抑制的作用。當(dāng)受到?jīng)_擊荷載后，在纖維和水泥基體間出現(xiàn)微裂縫擴展，根據(jù)纖維間距理論，均勻分布的纖維能夠連接裂縫上下尖端，并將尖端應(yīng)力擴散傳遞到周圍的水泥基體中。這種橋接作用能夠使裂縫尖端的應(yīng)力場重新分布，從而弱化應(yīng)力集中現(xiàn)象的作用，延緩裂縫的進一步擴展[5]。另外，當(dāng)裂縫纖維和水泥基體粘結(jié)低于裂縫尖端應(yīng)力時，纖維會被拉斷或拔出，這一過程中，也會消耗大部分的沖擊能力。隨著應(yīng)變進一步增大試件迅速變形，會同時出現(xiàn)多處微裂縫發(fā)展，因此更多的纖維隨著沖擊加載過程被拔出和拉斷，而消耗更多的能量。這也使得相同沖擊能量下，纖維混凝土的損傷程度會顯著低于未添加纖維的傳統(tǒng)混凝土。為充分發(fā)揮不同纖維材料的優(yōu)勢，也可采用在混凝土中摻加兩種或多種混雜纖維，通過將物理力學(xué)性能或纖維形狀差異較大的不同纖維共同作用，發(fā)揮各自特點，彌補相互的不足，協(xié)同作用來進一步提高其抗沖擊性能。

需要注意的是，纖維材料摻入混凝土基體中的分散程度是保證其能夠發(fā)揮作用的前提條件，因此需要保證纖維材料在基體中能夠均勻隨機分布。但試驗研究發(fā)現(xiàn)如果纖維摻量過大，超過其最佳摻量后，纖維在基體中容易出現(xiàn)聚團的現(xiàn)象，導(dǎo)致抗沖擊效果的弱化，對于低流動性的混凝土尤為明顯，因此需要控制摻量和保證拌合中的均勻分散[6]。同時，纖維改善混凝土抗沖擊性能效果受纖維與水泥基體間粘結(jié)力的影響很大，如果粘結(jié)力過差，在沖擊荷載作用下纖維會很容易被拔出，從而失去持荷和吸能能力，影響其對混凝土抗沖擊性能的提高效果。

2.3 瀝青路面再生骨料

瀝青路面材料作為我國道路路面面層的主要鋪筑材料，廣泛用于城市道路和公路建設(shè)。隨著道路使用年限的增長，瀝青路面結(jié)構(gòu)為提高其服務(wù)性能需要進行養(yǎng)護維修，路面面層銑刨后會產(chǎn)生大量的瀝青固體廢棄物，如果能夠充分利用這些固體廢棄物，不僅可以節(jié)約大量材料資源和成本投入，同時有效避免環(huán)境的污染，實現(xiàn)循環(huán)發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展。

不同粒徑的瀝青再生骨料中含有不同瀝青含量，如表1所示。

利用瀝青路面再生骨料作為改組成分，可以利用柔性瀝青組分吸收沖擊荷載能量，減少沖擊對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，減緩裂縫擴展并連通。同時，利用瀝青路面再生骨料制備“綠色”水泥混凝土，從社會和環(huán)境效益方面，符合建設(shè)生態(tài)文明社會的號召，同時將道路工程中的固體廢棄物進行綜合利用，具有一定的經(jīng)濟效益[7]。

研究基于瀝青路面再生骨料的組成特點，將瀝青路面再生骨料舊料摻入水泥混凝土中，旨在于提升自密實混凝土抗沖擊性能。

3 設(shè)計方法

在改善水泥混凝土抗沖擊性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮瀝青路面再生骨料對水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能、和經(jīng)濟環(huán)保性能，采用等摻量代替理論，制定高抗沖擊“綠色”水泥混凝土的設(shè)計方法。

3.1 原材料

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650 2020）對混凝土原材料規(guī)定進行選擇。

水泥：水選用收縮性小耐磨性強、抗凍性好、含堿量低的強度等級為P.O 42.5R普通硅酸水泥。

粗集料：采用質(zhì)地堅硬、潔凈干燥、級配合理且吸水性小的碎石，碎石粒徑小于16mm;

細(xì)集料：采用級配良好、質(zhì)地堅硬、潔凈干燥的普通河砂，中砂;

瀝青路面再生骨料：粒徑為5-10mm連續(xù)級配的再生骨料;

減水劑：聚羧酸型高效減水劑;

水：可飲用水。

3.2 配合比設(shè)計及試驗方法

綜合考慮《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D40-2011）和《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55-2011）進行混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計，配合比計算采用質(zhì)量比，通過計算和適配確定。保持其他組分不變，用瀝青路面再生骨料按40%、60%、80%和100%等質(zhì)量代替碎石，各組配合比如表2所示。

采用不同再生骨料摻量代替碎石得到的配合比進行拌合、試件制作和養(yǎng)護，并進行相關(guān)性能試驗，試驗方案設(shè)計如圖1所示。以不同摻配比的再生骨料水泥混凝土試件進行落錘沖擊試驗，以得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征指標(biāo)參數(shù)評價沖擊性能。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮再生骨料對水泥混凝土的工作性能、力學(xué)性能和經(jīng)濟環(huán)保性能，評價再生骨料綠色水泥混凝土的工程價值。

4 結(jié)論

針對水泥混凝土在沖擊荷載的作用下，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生沖擊破壞的特點，采用瀝青路面再生骨料替代傳統(tǒng)水泥混凝土中粗骨料制備“綠色”水泥混凝土，利用再生骨料表面所包裹柔性瀝青的吸能作用抵抗沖擊荷載，旨在于提升自密實混凝土抗沖擊能力。

（1）常用的可以提高混凝土抗沖擊性能代替組分，包括吸能顆粒類和纖維類，分析其作用機理和組分引入對抗沖擊性能的的改善效果，并選擇瀝青路面再生骨料作為改善組分以提高混凝土抗沖擊性能。

（2）在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，采用粒徑5～10mm連續(xù)級配的再生骨料按40%、60%、80%和100%等質(zhì)量代替碎石進行配合比設(shè)計，制定摻配再生骨料綠色水泥混凝土試驗方案設(shè)計。

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[7]賈艷東， 韓碩， 甄艷，等. 再生骨料瀝青混合料性能研究[J]. 工程與建設(shè)， 2015（6）：3.

基金項目：沈陽城市建設(shè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目

作者簡介：汪浩（2000-），男，漢族，籍貫：安徽省合肥市，學(xué)歷：本科生

通訊作者：張景怡（1988-），女，滿族，籍貫：遼寧省綏中縣，研究生，工程師，工作單位：沈陽城市建設(shè)學(xué)院， 研究方向：道路工程

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