丁國(guó)博，許金余，2，胡澤斌，席 峰，白二雷

(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院機(jī)場(chǎng)建筑工程系，西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(簡(jiǎn)稱(chēng)EPS混凝土)，又稱(chēng)Styropor混凝土，是一種用聚苯乙烯發(fā)泡顆粒作輕骨料生產(chǎn)的礦物質(zhì)膠結(jié)輕質(zhì)混凝土［1］，早在 1973 年 Cook［2］就對(duì)EPS作為混凝土的集料進(jìn)行了研究。其在加壓過(guò)程中，EPS混凝土試件變形較大，即使在試件發(fā)生破壞時(shí)，其破壞過(guò)程也是逐漸變化的，顯示出良好的韌性。這表明EPS混凝土具有優(yōu)異的吸能功能［3］。其輕質(zhì)吸能的優(yōu)異性能使之在軍事防護(hù)工程中有著重要和廣泛的用途。

目前，對(duì)于聚苯乙烯混凝土的整體研究主要集中在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的研究，而對(duì)早強(qiáng)EPS混凝土的沖擊力學(xué)性能研究相對(duì)較少，這樣使得EPS混凝土應(yīng)用范圍很有限。

為滿足實(shí)際工程抗沖擊材料的需要，本文對(duì)早強(qiáng)聚苯乙烯混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。配制了基體強(qiáng)度等級(jí)為C60，EPS體積摻量為40%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為12 h、24 h、36 h和28 d的聚苯乙烯混凝土，利用φ100 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材與配合比

混凝土基體材料:P.O 42.5R秦嶺水泥;韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰;涇陽(yáng)縣石灰?guī)r碎石(5 mm～10 mm，15%;10 mm ～20 mm，85%);灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8;硅灰(0.1 μm ～0.15 μm);EPS 顆粒采用高陵縣泡沫廠生產(chǎn)的再生EPS顆粒(2 mm～8 mm)。本試驗(yàn)采用自配外加劑對(duì)EPS顆粒進(jìn)行改性，以改善EPS顆粒與水泥漿體的界面性能。

表1 早強(qiáng)EPS混凝土的配合比Tab.1 Mix proportions of Early-strengthed kg/m3

1.2 EPS混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

根據(jù)表1提供的配合比，澆筑了標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件，測(cè)定相應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 EPS混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能Tab.2 Quasi-static mechanical properties of EPS reinforced concrete

2 試驗(yàn)裝置及原理

沖擊壓縮試驗(yàn)采用空軍工程大學(xué)工程學(xué)院五系防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室φ100 mm分離式霍普金森壓桿裝置。系統(tǒng)主要包括主體設(shè)備、氣源和量測(cè)設(shè)備3大部分，試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

圖1 φ100 mm分離式霍普金森壓桿裝置示意圖Fig.1 Sketch of 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar(SHPB)equipment

試驗(yàn)中采用H62黃銅作為波形整形器，其作用是消除由于大尺寸SHPB裝置彌散效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力波波頭的過(guò)沖和波形的震蕩，同時(shí)可將上升沿拉長(zhǎng)，可以得到材料真實(shí)的響應(yīng)特性［4］。

試驗(yàn)的基本原理是細(xì)長(zhǎng)桿中彈性應(yīng)力波傳播理論，建立在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上:(1)平面假設(shè)，即應(yīng)力波在細(xì)長(zhǎng)桿中傳播過(guò)程中，彈性桿的每個(gè)橫截面始終保持平面狀態(tài);(2)應(yīng)力均勻假設(shè)，即應(yīng)力波在試件中傳播兩個(gè)來(lái)回以上，試件中的應(yīng)力處處相等［5］。通過(guò)粘貼在入射桿與透射桿應(yīng)變片測(cè)出入射應(yīng)變?chǔ)舏、反射應(yīng)變?chǔ)舝及透射應(yīng)變?chǔ)舤;再采用三波法［6］計(jì)算出試件的應(yīng)力σs、應(yīng)變率及應(yīng)變?chǔ)舠。即:

式中:E為桿的彈性模量;c為桿中波速;A、As分別為桿、試件的橫截面積;ls為試件的初始厚度［7］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用φ100 mm SHPB試驗(yàn)裝置，對(duì)EPS體積摻量為40%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為12 h、24 h、36 h和28 d的EPS混凝土進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，試件的幾何尺寸為φ99 mm×50 mm，試驗(yàn)時(shí)在試件端面涂抹薄薄的一層石墨與潤(rùn)滑劑的混合物，以消除界面摩擦效應(yīng)［8］。SHPB試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。其中:動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，d為峰值應(yīng)力;峰值應(yīng)變?chǔ)舙為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變;極限應(yīng)變?chǔ)舥為EPS混凝土最終的應(yīng)變;動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子(dynamic increase factor，簡(jiǎn)稱(chēng)DIF)為試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，是反映沖擊荷載下材料抗壓強(qiáng)度增幅的指標(biāo)，用公式表示為:

式中:fc，d、fc，s分別為 EPS 混凝土的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度;Ec為彈性模量，本文采用混合模量，即曲線上升段上對(duì)應(yīng)壓縮強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的40%和60%的兩點(diǎn)連線的斜率，計(jì)算公式為:

式中，下標(biāo)1和2分別表示曲線上對(duì)應(yīng)0.4σ0和0.6σ0的兩點(diǎn);S表示軸向應(yīng)力;ε為軸向應(yīng)變。

表3 EPS混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Summary of SHPB tests on EPS concrete specimen

圖2 EPS混凝土沖擊破壞形態(tài)Fig.2 Failure forms of EPS reinforced concrete specimens

不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下EPS混凝土試件的破壞形態(tài)如圖2所示。在沖擊荷載作用下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土破壞形態(tài)主要有裂縫、留芯周?chē)鷫K狀碎裂、粉碎等幾種形態(tài)。在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著平均應(yīng)變率的提高，試件的破壞形態(tài)趨于嚴(yán)重，試件由出現(xiàn)微裂縫、明顯裂縫、留芯周?chē)鷫K狀碎裂、碎而不散直至粉碎。

不同齡期的EPS混凝土動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有相似的幾何形狀。

圖4和圖5是在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，測(cè)得的相應(yīng)EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。由圖4可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期為36 h和28 d的EPS混凝土，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加呈近似線性增長(zhǎng);養(yǎng)護(hù)齡期為12 h和24 h的EPS混凝土，隨著應(yīng)變率的增加，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度變化不明顯。由圖4和圖5還可以看出，EPS混凝土的抗沖擊性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增加。

在混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變率關(guān)系的研究中，人們更關(guān)心的是特定應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度相對(duì)于靜態(tài)強(qiáng)度的提高值。不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土的DIF隨平均應(yīng)變率變化如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期為36 h、28 d的EPS混凝土的DIF隨應(yīng)變率的增加呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞增，其對(duì)數(shù)遞增規(guī)律如式(4)所示。

養(yǎng)護(hù)36 h和28 d的EPS混凝土，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，且隨平均應(yīng)變率的提高而近似線性增加，其原因有以下兩個(gè)方面:(1)隨著應(yīng)變率的增加，混凝土在破壞時(shí)砂漿基體內(nèi)部微裂縫來(lái)不及充分?jǐn)U展，因而導(dǎo)致了混凝土骨料的破壞，應(yīng)變率越高，混凝土骨料破壞得越多，從而混凝土的抗沖擊強(qiáng)度就越高;(2)EPS混凝土受到外界沖擊載荷時(shí)很容易發(fā)生變形，變形量大而流動(dòng)應(yīng)力水平較低，在壓縮變形過(guò)程中消耗大量的功，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)中泡孔的變形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而有效地吸收外界的沖擊能量，提高混凝土抗沖擊力學(xué)性能。

養(yǎng)護(hù)齡期為12 h、24 h的EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加變化不明顯，其原因是由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，混凝土內(nèi)部還沒(méi)有水化充分，EPS顆粒與水泥礦物砂漿的界面還沒(méi)充分粘結(jié)，當(dāng)混凝土受到外界沖擊載荷作用時(shí)，界面裂縫容易較早出現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增加，基體內(nèi)部界面裂縫迅速擴(kuò)展所致。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下EPS混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress versus strain curves of concrete specimens reinforced with different maintenance duration

圖4 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的變化Fig.4 Increase ratio of dynamic compressed strength vs.averagestrain rate for EPS concrete specimen

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of dynamic compressed strength with maintenance duration

圖6 不同齡期EPS混凝土的DIF隨應(yīng)變率的變化Fig.6 Semi-logarithmic plot of dynamic strength increase factor vs.average strain rate for EPS reinforced concrete specimens with different maintenance period

4 結(jié)論

利用φ100 mm SHPB裝置，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的EPS混凝土試件進(jìn)行了多個(gè)應(yīng)變率下的沖擊壓縮試驗(yàn)，分析了EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。試驗(yàn)的主要結(jié)論有:

(1)養(yǎng)護(hù)齡期為36 h、28 d時(shí)，EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增大，具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性;養(yǎng)護(hù)齡期為12 h、24 h時(shí)，EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加變化不明顯。這說(shuō)明EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期的影響。

(2)EPS混凝土的抗沖擊性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增加。

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