基于SHPB的再生混凝土動態力學性能研究

穆薈宇

西南科技大學 土木工程與建筑學院 四川 綿陽 621010

近年來，地震、船舶撞擊橋梁等事件時有發生，對工程結構造成了嚴重的破壞及經濟損失，工程結構面臨著強沖擊荷載的危害。因此，研究在動荷載作用下，工程材料的力學性能、動力響應及失效機制有著極其重要的工程意義。

同時，隨著現代化建設進程的加快，需要的混凝土越來越多，大量的開山采石將導致資源匱乏。而被拆除的建筑物將會有大量的廢棄混凝土產生，廢棄的混凝土塊通過破碎、篩分等一系列程序，就會形成再生粗骨料，并按照一定的配合比，天然骨料將被再生粗骨料部分或全部替代，從而制成混凝土，形成再生混凝土（RAC）[1]，解決了廢棄混凝土重復再利用的問題。同時，對節約物質資源、保護生態環境具有重要意義。

大量研究表明，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的強度會逐漸降低。Barhmaiah等[2,3,4]發現再生粗骨料取代率為25 %、50 %、75 %、100 %的再生混凝土抗壓強度隨再生粗骨料取代率的增加而降低。

肖建莊[5]通過在不同應變率下，對再生混凝土進行了單軸受壓性能試驗，研究結果表明，再生混凝土的應力-應變曲線形狀相似，隨著應變率的增大，峰值應力增大。楊強等[6]研究了普通混凝土與再生混凝土在高應變率下的動力響應，結果表明，隨著沖擊氣壓值的增大，動態抗壓強度均有所增大。學者們在再生混凝土靜態力學性能方面進行了系統的試驗研究和理論分析，得到了很大的進展。然而，關于再生混凝土應變率敏感性的研究較為缺乏。

本文通過對再生粗骨料取代率為50 %的再生混凝土進行SHPB動態沖擊壓縮試驗，并與普通混凝土試件進行對比，測試兩種混凝土在不同沖擊氣壓下的動態力學性能指標，分析其應力-應變曲線及動態壓縮強度在不同應變率下的變化規律。本文的研究成果補充了在實際工程應用中再生混凝土材料性能的空白。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

試驗所使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，型號為P.O 42.5，細骨料為中粗河砂，再生粗骨料以及天然粗骨料選用5 - 10 mm碎石，測得再生骨料吸水率為4 %。

試驗制作的混凝土試件均按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）[7]進行配制。對再生粗骨料取代率為0 %，配制普通混凝土NAC0，并同時配制再生粗骨料取代率為50 %的再生混凝土RAC1。普通混凝土的水灰比為0.48，砂率為38 %，具體混凝土配合比設計詳見表1。

表1 混凝土配合比設計

1.2 試驗方法

根據試驗研究需求，制備標準立方體和φ120mm×80mm[8]圓柱體試件，其中立方體抗壓試件各3個，共6個；圓柱體沖擊壓縮試件各15個，共30個。如圖1所示，對標準試件按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB／T 50081-2016)[9]進行靜態抗壓試驗。對普通混凝土和再生混凝土試件，通過120mmSHPB試驗裝置，加載0.20MPa、0.22MPa、0.24MPa的沖擊氣壓進行單軸沖擊試驗。

圖1 混凝土靜態抗壓試驗

SHPB試驗裝置為圖2所示，入射桿、透射桿直徑均為120mm，實驗選取φ40mm×2mm的圓形橡膠片作為波形整形器，粘貼在入射桿桿端，以此來減小橫向慣性效應和波形彌散效應[8,10]。在兩桿之間放置試件，三者保持在同一水平線上，使試件加載時處于一維應力狀態。分別在兩桿的中部貼上應變片，用于采集試驗中的應變。試驗通過控制加載氮氣氣壓值來改變子彈的入射速度。紅外線測速儀設置在入射桿前，從而獲得子彈撞擊入射桿時的速度。

圖2 SHPB試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 靜態抗壓強度

表2所示為兩種混凝土平均靜態抗壓強度，可以看出，當再生粗骨料取代率為50 %時，靜壓強度相較于普通混凝土，降低了7 %。這是因為，再生粗骨料與新舊砂漿之間，產生較為薄弱的粘結作用，存在大量裂紋，且再生粗骨料也具有高孔隙率等特點，對水泥的水化過程有影響，容易形成應力集中，從而導致再生混凝土的強度有所降低。因此，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的靜壓強度逐漸降低。

表2 靜態抗壓強度

2.2 破壞形態

兩種混凝土在三種不同的氣壓下，表現出三種不同的破壞形態，分別為輕微龜裂、破碎、粉碎。在相同氣壓作用下，兩者的破壞形態大致相似。

如圖3（a）所示，在0.20MPa的沖擊氣壓下，再生混凝土的破壞形態為輕微龜裂。試件產生裂縫，外圍有混凝土剝落，但仍保持整體的完整性。

圖3 不同氣壓值下再生混凝土破壞形態

如圖3（b）所示，當沖擊氣壓為0.22MPa時，再生混凝土的最終形態表現為破碎，試件被裂紋貫穿，碎裂為均勻的塊狀。

如圖3（c）所示，當沖擊氣壓值達到0.24MPa時，試件完全破裂，試件的大部分破壞為小碎塊，小部分粉末狀，試件的破壞形態為粉碎。

2.3 應力-應變曲線

根據應力波一維假定、試件均勻性假定的測試數據處理方法，即二波法，在SHPB試驗中試件的應力、應變、應變率可表示為：

如圖4所示，為NAC0和RAC1動態應力-應變曲線。可以看出，在不同應變率下，兩種混凝土的應力-應變曲線的變化趨勢大致相同。且隨著沖擊氣壓的增大，峰值應力和峰值應變均增大，它們的動態壓縮強度隨著應變率的增加而增加。

圖4 不同應變率下混凝土動態應力應變曲線

NAC0和RAC1的動態應力-應變曲線總共分為三個階段。第一階段為應力上升段，應力急劇上升，出現峰值應力，應力應變呈線性變化。第二階段為應力緩沖段，應力減少較少，應變持續增大，試件開始破壞。第三階段為應變軟化階段，應力隨應變的增大逐漸減小，試件完全破壞，表現出明顯的脆性破壞。

2.4 動態壓縮強度

在混凝土的動態壓縮強度中，通常用動態增強因子DIF來表示應變率效應的影響。其中，DIF為動態抗壓強度與靜壓強度的比值。圖5為不同沖擊氣壓下NAC0和RAC1的DIF。

圖5 不同氣壓下動態增強因子DIF

可以看出，RAC1和NAC0具有明顯的應變率效應，它們的DIF隨著沖擊氣壓的增大而逐漸增大。且普通混凝土NAC0的DIF增幅為17.6 %，再生混凝土RAC1的DIF增幅為39.3 %，說明普通混凝土的應變率敏感性要低于再生混凝土。

3 結論

（1）由于再生混凝土新砂漿-舊骨料之間產生的粘結較為薄弱，且再生粗骨料具有高孔隙率等特點，因此，再生骨料取代率為50%的再生混凝土靜壓強度低于普通混凝土。

（2）隨著沖擊氣壓的增大，混凝土試件表現為三種破壞形態。當沖擊氣壓為0.20 MPa時，破壞形態為輕微龜裂；當沖擊氣壓為0.22 MPa時，最終形態為破碎；當沖擊氣壓為0.24 MPa時，破壞形態為粉碎。

（3）在不同沖擊氣壓下，再生混凝土和普通混凝土的應力-應變曲線變化大致相同，且隨著沖擊氣壓值的增大，應力、應變均增大，表現出明顯的應變率效應。

（4）不同沖擊氣壓下，兩種混凝土的DIF也隨氣壓值的上升而增大。普通混凝土的DIF增幅為17.6 %，再生混凝土的DIF增幅為39.3 %，表明普通混凝土的應變率敏感性要低于普通混凝土。