白二雷， 許金余，2，高志剛

(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，西安 710038;2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，西安 710072)

聚苯乙烯混凝土(Expanded Polystyrene Concrete，簡(jiǎn)稱EPS混凝土)是一種用聚苯乙烯發(fā)泡顆粒作輕骨料的礦物質(zhì)膠結(jié)輕質(zhì)材料。隨著科技的發(fā)展、居住等生活水平的提高，廢棄的EPS顆粒隨處可見，嚴(yán)重污染環(huán)境。回收廢棄的EPS顆粒用作混凝土的輕集料，將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)保效益。此外，EPS混凝土還具優(yōu)異的抗沖擊力學(xué)性能。因此，EPS混凝土在民用建筑結(jié)構(gòu)及軍事防護(hù)工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)于EPS混凝土的研究主要有:Cook等［1］對(duì)EPS作為混凝土的集料進(jìn)行了研究，提出輕骨料的兩種生產(chǎn)方式。李俊峰［2］與陳兵等［3］研究了EPS輕混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用，并對(duì)試件進(jìn)行了抗拉及抗壓試驗(yàn)，測(cè)試其力學(xué)性能。Bischoff等［4］通過實(shí)驗(yàn)證明了 EPS混凝土具有較強(qiáng)的吸能功能，并將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗沖擊保護(hù)層。Perry等［5］對(duì)摻加不同EPS顆粒，不同外加劑的EPS混凝土物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究。姜德民等［6］研究了提高EPS混凝土強(qiáng)度的方法。

綜上所述，目前對(duì)EPS混凝土的研究主要集中在對(duì)其制備技術(shù)、物理性能、準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究，而對(duì)其在沖擊荷載下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形特性的研究較少?；诖耍疚牟捎么笾睆?Φ100 mm)分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置對(duì)不同體積摻量的EPS混凝土在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)性能展開研究，為EPS混凝土在工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 EPS混凝土SHPB試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方案

混凝土基體材料:P.O 42.5R秦嶺水泥，28d抗壓強(qiáng)度為48.6 MPa;韓城第二發(fā)電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰;涇陽縣石灰?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(0.1μm ～0.15 μm);減水劑:廣州建寶新型建材有限公司生產(chǎn)的FDN高效減水劑;EPS顆粒采用高陵縣泡沫廠的再生EPS顆粒(2～8 mm)，該顆粒級(jí)配分布均勻，表面粗糙，部分顆粒開口，水泥漿體容易進(jìn)入孔隙，有利于EPS顆粒與水泥基體的粘結(jié)，可克服EPS顆粒與水泥漿體的離析現(xiàn)象。EPS混凝土配合比見表1。根據(jù)EPS顆粒特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用AEP攪拌工藝，該工藝能夠使拌合物均勻，克服離析現(xiàn)象，具體制備養(yǎng)護(hù)工藝流程如圖1所示。

表1 EPS混凝土的配合比 (kg/m3)Tab.1 Mix proportions of EPS concrete

圖1 EPS混凝土制備養(yǎng)護(hù)工藝Fig.1 Preparing and maintenance technology for EPS concrete

EPS體積摻量分別為 10%、20%、30%、40%、50%，每種摻量各制12個(gè)圓柱形試件。試件尺寸直徑為99±1(mm)，長(zhǎng)度為49.5±1(mm)。試件用鋼模具澆筑而成，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行切割，表面采用磨床精密加工，表面不平行度小于0.02 mm。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)裝置及原理

試驗(yàn)采用空軍工程大學(xué)工程學(xué)院防護(hù)試驗(yàn)室的Φ100 mm分離式SHPB試驗(yàn)裝置，如圖2所示。SHPB試驗(yàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于混凝土［7－8］、巖石［9］、軟材料及松散材料［10－11］等多種材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試。

圖2 Φ100 mm SHPB試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of 100-mm-diameter SHPB apparatus

圖3 不同體積摻量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 volume fractions of EPS

表2 EPS混凝土SHPB試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Summary of SHPB experiment on EPS concrete specimens

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［12］，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)來回以上，試件中的應(yīng)力處處相等。為滿足平面假設(shè)及應(yīng)力均勻假設(shè)，本文采用文獻(xiàn)［13］提出的試驗(yàn)技術(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同體積摻量的EPS混凝土SHPB試驗(yàn)結(jié)果見表2，其應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.2.1 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率變化關(guān)系如圖4所示。

從圖中可以看出，EPS混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的提高近似線性增加，具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性。同時(shí)，隨著EPS體積摻量的增加，混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低，且降低幅度呈現(xiàn)規(guī)律性比較明顯的梯降。

2.2.2 臨界應(yīng)變

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得臨界應(yīng)變隨平均應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖5所示，從圖中可看出，臨界應(yīng)變隨平均應(yīng)變率近似線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，通過擬合可得到臨界應(yīng)變隨平均應(yīng)變率的變化關(guān)系，即:

本文引入臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率定義，即EPS混凝土臨界應(yīng)變相對(duì)于基體混凝土臨界應(yīng)變的增長(zhǎng)百分比計(jì)算增長(zhǎng)率，進(jìn)而得到臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率隨平均應(yīng)變率的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖4 EPS混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率變化情況Fig.4 Dynamical compressive strength vs.average strain rate for EPS concrete

圖5 EPS混凝土臨界應(yīng)變隨平均應(yīng)變率變化情況Fig.5 Critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

圖6 EPS混凝土臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率隨平均應(yīng)變率的變化情況Fig.6 Increase ratio of critical compressive strain vs.average strain rate for EPS concrete

從圖中可看出:EPS顆粒的摻入對(duì)混凝土均有一定的韌化效果，變形能力得到提高，且不同體積摻量的EPS混凝土變形能力均隨應(yīng)變率的增加而提高。EPS體積摻量為10%時(shí)，在應(yīng)變率為45～80 s－1范圍內(nèi)，EPS混凝土的變形性能得到提高及改善，80 s－1時(shí)的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為5%;EPS體積摻量為20%時(shí)，在應(yīng)變率為35～80 s－1范圍內(nèi)，EPS混凝土的變形性能得到提高及改善，80 s－1時(shí)的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為8%;EPS體積摻量為30%時(shí)，在應(yīng)變率為32～80 s－1范圍內(nèi)，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時(shí)的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為9%;EPS體積摻量為40%時(shí)，在應(yīng)變率為30～80 s－1范圍內(nèi)，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時(shí)的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為20%;EPS體積摻量為50%時(shí)，在應(yīng)變率為5～80 s－1范圍內(nèi)，EPS混凝土的變形性能得到提高改善，80 s－1時(shí)的臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為10%，其改善的應(yīng)變率范圍雖然最廣，但其改善效果不明顯，臨界應(yīng)變隨應(yīng)變率的增長(zhǎng)變化不大。綜上分析，以EPS顆粒對(duì)基體混凝土的沖擊變形能力的改善效果作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，EPS顆粒體積摻量為40%時(shí)改善效果最佳。

3 EPS顆粒對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能改善機(jī)理

3.1 應(yīng)變率效應(yīng)

從EPS混凝土的SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同EPS體積摻量條件下，EPS混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與臨界應(yīng)變隨平均應(yīng)變率近似線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。主要是在沖擊荷載作用下，混凝土內(nèi)部、骨料周圍及整個(gè)水泥漿體中產(chǎn)生了大小不同的微裂紋與微孔洞等損傷。混凝土材料的破壞是因裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展所致，裂紋產(chǎn)生所需能量遠(yuǎn)比裂紋擴(kuò)展所需能量高。應(yīng)變率越高，撞擊速度越大，產(chǎn)生的裂紋數(shù)目亦越多，因而需要的能量就越多。而EPS混凝土主要通過其空腔結(jié)構(gòu)的變形等消耗能量，因而應(yīng)變率越高，其動(dòng)壓越大，變形越大。

3.2 微結(jié)構(gòu)效應(yīng)

為從微觀上研究EPS顆粒對(duì)混凝土變形性能的改善機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察EPS體積摻量為0%，40%，50%的微觀結(jié)構(gòu)(放大1000倍)，圖7為EPS顆粒與水泥漿體界面的微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖7 不同體積摻量EPS混凝土的SEM圖，(×1000)Fig.7 SEM for EPS concret with different volumetric fractions，(×1000)

從圖7可以看出，未摻入EPS顆粒的混凝土結(jié)構(gòu)比較致密，存在一定孔隙;體積摻量為40%的EPS混凝土，EPS顆粒一部分均勻分布于水泥砂漿表面，一部分填充了混凝土的孔隙;而體積摻量為50%的EPS混凝土，難以攪拌均勻，使混凝土中出現(xiàn)大量孔隙，EPS顆粒在混凝土中的分布極不均勻。

從以上結(jié)果分析得出EPS顆粒對(duì)混凝土變形性能的改善機(jī)理為:① EPS顆粒的置換效應(yīng)，即將再生EPS顆粒作為輕骨料，置換部分砂石摻入素混凝土。而置換的EPS顆?？浊唤Y(jié)構(gòu)決定了其具有良好的能量吸收特性。當(dāng)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)力水平低，在壓縮變形過程中消耗大量的功，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，提高混凝土抗沖擊變形性能。② EPS顆粒的空間效應(yīng)。即EPS顆粒的摻入改變了混凝土骨架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，受力后易產(chǎn)生較大變形，剛度降低，韌性提高。

當(dāng)EPS體積摻量達(dá)到50%時(shí)，其變形性能反而降低，這主要是由于EPS混凝土本身是一種多相復(fù)合不均質(zhì)材料且各向異性。當(dāng)EPS體積摻量達(dá)50%以上時(shí)，在混凝土制備過程中很難攪拌均勻，離析現(xiàn)象嚴(yán)重，在混凝土中造成大量孔隙，同時(shí)界面粘結(jié)性差，混凝土內(nèi)部所形成孔腔結(jié)構(gòu)的不均勻性加劇，從而導(dǎo)致其韌性降低。

4 結(jié)論

(1)EPS混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的提高近似線性增加，具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性。同時(shí)，隨著EPS體積摻量的增加，混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度降低，且降低的幅度呈現(xiàn)規(guī)律性較明顯的梯降。

(2)EPS顆粒的摻入使混凝土變形能力得到提高，相同體積摻量的EPS混凝土變形能力隨應(yīng)變率的增加而提高，具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性。

(3)在EPS顆粒體積摻量0～40%范圍內(nèi)，EPS體積摻量越高，其抗沖擊變形性能越好;當(dāng)EPS體積摻量達(dá)50%時(shí)，其變形能力有所降低。以EPS顆粒對(duì)基體混凝土沖擊變形能力的改善效果作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，EPS顆粒體積摻量為40%時(shí)改善效果最佳。

(4)EPS顆粒對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能的改善機(jī)理主要在于應(yīng)變率效應(yīng)及微結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

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