泡沫混凝土夾層吸能效應試驗研究★

伍沐霜，黃明堯，李欣航，吳 晨，徐雪桐，賈 蓬

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

泡沫混凝土是一種多孔混凝土，由于其中存在大量的孔隙，與傳統混凝土相比，具有隔熱性能好、隔音性能好、抗震效果好[1]等優點，目前已經廣泛應用于飛機攔阻、爆炸防護以及隧道減震層等[2-4]工程中，由于泡沫混凝土孔隙密度、孔隙結構對其自身性能的影響具有多樣性，因此眾多學者針對泡沫混凝土的各類力學性能進行了大量的深入研究，龐超明等[5]研究了粉煤灰摻量對泡沫混凝土影響，結果表明適量粉煤灰能夠改善泡沫混凝土孔結構和力學性能；KEARSLEY等[6]研究了孔結構對泡沫混凝土抗壓強度和吸水率的影響；李升濤等[7]開展單軸壓縮實驗，得出隨泡沫混凝土干密度的增加，屈服應力、平臺應力、能量吸收都顯著提高；梁力等[8]利用萬能試驗機對不同孔徑、不同鋼纖維摻量的混凝土復合層試件進行壓縮實驗，研究了孔徑效應對復合結構的影響規律。

目前，泡沫混凝土的研究主要集中在靜態力學特性以及材料改性方面，在動態沖擊響應方面的研究相對較少，黃海健等[9]利用分離式霍普金森壓桿對泡沫混凝土進行不同最大應變率的沖擊實驗，建立了反映泡沫混凝土在達到峰值應力之前的動態應力應變關系的等效本構方程。

近年來，國內外學者提出了在襯砌間設置減震層的新理念[10-11]，也有眾多學者針對隧道減震層進行了諸多研究，趙富發等[12]基于隧道比例模型進行振動臺試驗，發現橡膠減震層只能達到減震吸能的效果，而并不能改變所受振動的加速度響應趨勢；吳順川等[13]利用軟件針對隧道膨脹性石膏巖襯砌問題進行模擬分析，得到了最優緩沖層厚度；崔光耀等[14]運用數值模擬，綜合隧道主應力、剪應力等試驗參數分析了減震層厚度對減震效果的影響；趙武勝等[15]利用數值模擬的方法，探究泡沫混凝土減震層的剪切模量、厚度以及襯砌與減震層之間的界面特性三個影響因素對減震效果的影響；泡沫混凝土由于自身大量孔隙的存在，具有優良的變形及緩沖吸能特性，同時易于施作，能極好的適應結構工程環境以及施工要求，是一種理想的減震層材料，然而，目前關于減震層與襯砌支護結構相對厚度以及沖擊速率對結構峰值應力以及吸能效果的影響的實驗研究還很少。因此，本文將帶有泡沫混凝土夾層的混凝土復合試件作為實驗材料，進行霍普金森桿沖擊實驗，研究不同干密度、不同沖擊速率、不同相對夾層厚度對夾層試件的峰值應力、吸能響應的影響，相關實驗成果可以為今后隧道工程中減震層厚度設計提供參考。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

本次實驗采用C75強度等級的混凝土，并在初凝脫模后放入具有標準養護條件的養護室中，測得28 d強度為76.6 MPa，由于隧道襯砌及減震層在施作完成后的短時間內就需發揮作用。因此實驗選用養護時間為7 d、具有初期強度的混凝土進行實驗。制備300 kg/m3，500 kg/m3的泡沫混凝土，測得抗壓強度分別為0.5 MPa，2.0 MPa，在制備完成后進行切割，并打磨成滿足試驗要求厚度的圓餅。

2.2 試驗方案設置

在各類地下工程的施工過程中，泡沫混凝土因其良好的變形吸能特性，常被作為緩沖層施作在初次襯砌與二次襯砌之間，用以吸收地層震動或圍巖擠壓作用產生的應力波能量。采用控制變量法來設置試驗，探究泡沫混凝土作為緩沖材料，其厚度及干密度對于建筑結構緩沖吸能效應的影響。

為使得試驗結果更加貼合工程實際，試驗設備采用直徑為100 mm的霍普金森壓桿裝置(SHPB)，子彈、入射桿、透射桿和吸收桿均為高強合金鋼材料，子彈長度為600 mm，可以通過調整氣腔壓力來控制其沖擊速率，模擬實際工程中結構所受的擠壓與沖擊作用。將制備得到的泡沫混凝土及混凝土進行加工切割，再粘合制成50 mm厚的圓柱體試件，模擬出泡沫混凝土作為緩沖層的實際受力情況。試驗所用試件如圖1所示。

設置泡沫混凝土相對厚度梯度為5 mm(10%)，10 mm(20%)，15 mm(30%)，并設置速度梯度為4 m/s，5 m/s，6 m/s，以300 kg/m3干密度的泡沫混凝土為例，控制單一變量分別進行試驗，試驗參數如表1所示，每組參數利用三個平行試驗組進行實驗。

表1 試驗參數設置

3 試驗結果與分析

3.1 泡沫混凝土干密度混凝土夾層材料動態力學性能的影響

干密度的不同影響著泡沫混凝土的孔隙密度與結構，從而間接影響泡沫混凝土性能，可設計實驗進行驗證，選擇5 m/s的沖擊速率，10 mm厚的泡沫混凝土夾層試件進行沖擊試驗。得到時間-應力曲線及時間-能量消耗曲線分別如圖2，圖3所示，泡沫混凝土干密度由300 kg/m3增長到500 kg/m3時，材料孔隙率以及孔隙結構發生變化，使得試件峰值應力隨之增長28.1%，試件通過變形所能消耗的能量也隨之增多41.2%。

3.2 泡沫混凝土夾層相對厚度對混凝土夾層材料動態力學性能的影響

在實際工程應用中，泡沫混凝土常被施作在襯砌間用作緩沖層，為保證結構的安全性和穩定性以及工程項目，夾層厚度的選擇需進一步試驗研究。對不同夾層相對厚度的試件進行霍普金森桿沖擊實驗，得到動態時間-應力曲線，結果如圖4所示。由于材料特殊的多孔結構，因此曲線波動較大，在沖擊作用下，初期時間-應力曲線大致呈線性關系，沖擊產生的應力波能量轉化為試件的彈性變形能；直至增大到某一數值后，時間-應力曲線出現波動，試件出現塑性變形并繼續吸收應力波能量直至試件破壞，大致可分為彈性階段、屈服階段、孔壁破壞三階段。

由圖4試驗圖像所示，在同一沖擊速率下，由于泡沫混凝土夾層試件相對厚度不同，峰值強度也隨之發生變化。當厚度為10 mm即相對厚度為20%時，試件峰值應力達到最大，夾層厚度為5 mm，15 mm的試件的峰值應力與10 mm厚的試件相比更小，由此可以將20%的相對厚度作為混凝土夾心層厚度的閾值。當V=4 m/s時，300 kg/m3組峰值應力最大增長了26.1%，500 kg/m3組峰值應力最大增長了99.1%；當V=5 m/s時，300 kg/m3組峰值應力最大增長了12.5%，500 kg/m3組峰值應力最大增長了45.6%。V=6 m/s時，300 kg/m3組峰值應力最大增長了25.3%，500 kg/m3組峰值應力最大增長了39.7%。由此可知，當夾層相對厚度為20%時，沖擊速率不同，夾層為10 mm的試件峰值應力較另兩種厚度峰值應力的增長幅度也不同，且干密度大的，增長幅度越大。

同時可以得到試件在沖擊作用下壓縮，其消耗的能量隨時間的變化曲線，如圖5所示。泡沫混凝土作為一種多孔材料，在試件中作為減震層，混凝土在受到入射桿的沖擊作用下，將應力波從試件一端傳向另一端，泡沫混凝土除了吸收一部分入射桿沖擊產生的能量之后，自身也會產生應力波，并在夾層內部發生大量的折射和反射，使得波的方向也在時刻發生變化。因此，泡沫混凝土夾層吸收并消耗的能量隨時間逐漸增多，且增長速率在初期逐漸升高，在總能量值中點處時增長速率達到最大，隨后逐漸放緩，直至破壞，能量吸收值達到最大。

由圖5所示300 kg/m3組的試驗曲線可知，在相同沖擊速率下，夾層厚度大的試件吸收的能量更多，當V=4 m/s和V=5 m/s時，15 mm組的試件總能量吸收值較10 mm組的試件增加更多，分別增多88.0%，100.0%，而當V=6 m/s時，15 mm組比10 mm組總能量值增多了7.1%?？傻茫瑳_擊速率的大小會影響試件夾層厚度變化時總能量吸收值的增長率。

結合上述結論分析500 kg/m3組的試驗曲線，當V=4 m/s時，不同厚度的試件總能量吸收值相差不大，當V=5 m/s時，不同厚度試件的總能量吸收值近似相等，而峰值強度卻存在一定差異，再結合圖4可知，在類似工程條件下，相對夾層厚為20%的試件峰值強度最高，因此可以將夾層的峰值強度作為優先考慮的指標。

3.3 沖擊速率對混凝土夾層材料動態力學性能的影響

利用霍普金森桿實驗裝置，通過調整氣腔壓力，從而控制沖擊速率，對具有相同夾層厚度的試件進行沖擊試驗。應力波在試件內傳播，一部分轉化為內能，另一部分轉化為動能，二者之和為總能量。通過試驗數據得到試件的時間-應力曲線如圖6所示，由300 kg/m3組的應力-時間曲線可知，在相同夾層厚度的情況下，隨著沖擊速率的增大，試件峰值強度也在逐漸增加。

并且當沖擊速率由4 m/s增加到5 m/s時，峰值強度也明顯提高，5 mm組強度提高了67.7%，10 mm組強度提高了47.4%，15 mm組強度提高了65.2%，500 kg/m3組時則當沖擊速率由5 m/s增加到6 m/s時試件峰值強度有明顯提高，5 mm組強度提高了51.2%，10 mm組強度提高了59.3%，15 mm組強度提高了38.2%，在不同沖擊速率下，試件峰值強度的差值，會受到夾層干密度和夾層相對厚度的綜合影響，在實際工程應用中，需對這兩個參數進行綜合考慮。

得到能量隨時間消耗曲線，如圖7所示，相同夾層厚度的試件，沖擊速率越高，產生的能量越多，因此，泡沫混凝土夾層通過變形吸收的應力波能量也越高。

4 結論

1)采用霍普金森桿試驗裝置進行沖擊試驗，根據時間-應力曲線及時間-能量消耗曲線，夾層的干密度大小決定了混凝土夾層試件峰值強度的大小以及消耗能量的多少，干密度越大，試件峰值強度越高，能量消耗越多。

2)采用不同泡沫混凝土夾層相對厚度，在相同的沖擊速率下進行沖擊試驗，研究相對厚度對試件峰值強度的影響。由圖像可知，當相對厚度為20%(10 mm)時峰值強度達到最大，與另外兩組相對厚度的試件相比峰值強度有所增長，且增長的大小與試件干密度有關；根據時間-能量消耗曲線，可知泡沫混凝土夾層吸收并消耗的能量隨時間逐漸增多，并且沖擊速率的大小會在一定程度上影響試件夾層厚度變化時總能量吸收值的增長。

3)采用不同的沖擊速率，對相同夾層厚度的試件進行沖擊試驗時，沖擊速率大的，試件峰值強度也更大，破壞時，所吸收的能量也越多，夾層干密度和夾層相對厚度會對試件在不同沖擊速率下的峰值強度差值產生影響，在實際工程應用中，需對這兩個參數進行綜合考慮。