趙榮生

（山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

混凝土由于其良好的力學(xué)性能及取材的便利，被廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)中。在如橋面、機(jī)場跑道與公路防撞護(hù)欄等對混凝土材料有更高的動(dòng)力性能要求，為改善混凝土的力學(xué)性能，通常會摻入纖維或橡膠等改性劑。實(shí)踐中，通常利用廢棄輪胎等橡膠制品來制作橡膠顆粒，這樣可以提高資源再利用率，同時(shí)橡膠材料具有輕質(zhì)、變形能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以在減輕混凝土結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)提高其變形能力[1-4]。Topcu I B[5]在混凝土中摻入不同體積分?jǐn)?shù)的橡膠顆粒，并測試了不同齡期時(shí)的強(qiáng)度及回彈性能，結(jié)果表明，摻入橡膠顆粒后混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了下降，延性出現(xiàn)了增加，并且粗顆粒橡膠對混凝土的力學(xué)性能影響比細(xì)顆粒更顯著。Eldin N N與Senouci A B[6]通過壓縮試驗(yàn)測試了不同橡膠顆粒含量混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明，隨著橡膠顆粒含量的增加，混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度降低幅度可達(dá)85%與50%，同時(shí)橡膠混凝土的破壞具有更高的延性。Zheng等[7]利用彈性波法對比了不同含量及不同粒徑橡膠混凝土的動(dòng)力性能，結(jié)果表明，橡膠混凝土的阻尼比較普通混凝土更大，并且橡膠顆粒含量更高、顆粒更大的橡膠混凝土阻尼比也更大。陳振富等[8]通過自由振動(dòng)法測試了橡膠混凝土的阻尼比，結(jié)果表明，混凝土的阻尼比隨橡膠粉含量的提高而增加，并且在橡膠粉含量大于2.5%后，其阻尼比增加速度更顯著。郭永昌等[9]利用SHPB技術(shù)研究了橡膠混凝土的動(dòng)力性能，結(jié)果表明，橡膠混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度對應(yīng)變率和橡膠含量敏感，峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增大，隨著橡膠顆粒含量的增大而降低。韓菊紅等[10]采用落錘試驗(yàn)研究了橡膠混凝土的抗沖擊性能，結(jié)果表明，橡膠雖會降低混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度，但能顯著提高其耗能能力。本文利用SHPB試驗(yàn)裝置對橡膠顆粒含量分別為15%、30%的橡膠混凝土及普通混凝土進(jìn)行了沖擊荷載下的動(dòng)力試驗(yàn)，研究了橡膠含量和應(yīng)變率對混凝土的破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度及能量吸收的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水：自來水；水泥：P·O42.5水泥；粗骨料：主要為3種不同級配碎石，粒徑分別≤10 mm、≤7 mm和≤5 mm，密度2.71 g/cm3，吸水率0.5%；細(xì)骨料：硅質(zhì)河砂；橡膠顆粒：粒徑分別為1～5mm和5～10mm兩種，為改善橡膠混凝土性能以及與水泥面之間的粘結(jié)性能，將橡膠顆粒用清水洗干凈以后并置于水中浸泡24 h備用。

1.2 試件制備

分別制備普通混凝土試件以及橡膠顆粒含量為15%與30%的橡膠混凝土試件（橡膠顆粒取代部分粗骨料和細(xì)骨料）?；炷猎嚰浜媳热绫?所示。坍落度控制在130～150 mm，符合文獻(xiàn)[11]的要求。

表1 混凝土試件配合比 kg/m3

按配比制備9個(gè)直徑100 mm、高200 mm的圓柱體試件用于抗壓強(qiáng)度測試，每組各3個(gè)試件；為研究橡膠混凝土的動(dòng)力性能，制備了24個(gè)直徑100 mm、高50 mm的圓柱體試件用于SHPB試驗(yàn)，每組各8個(gè)試件；對于相同橡膠顆粒含量的混凝土試件，分別測試4種不同應(yīng)變率，每種應(yīng)變率均測試2個(gè)試件。擬靜力抗壓試驗(yàn)如圖1（a）所示，SHPB試驗(yàn)如圖1（b）所示。

圖1 擬靜力抗壓試驗(yàn)及SHPB試驗(yàn)裝置

1.3 SHPB試驗(yàn)

SHPB試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于材料的動(dòng)力性能研究中。材料的動(dòng)力性能指標(biāo)一般包括動(dòng)態(tài)破壞過程、動(dòng)力作用下的材料強(qiáng)度和能量耗散等。圖1（b）的SHPB試驗(yàn)裝置中，入射桿直徑100 mm，長度5500 mm，傳遞桿長度3000mm。沖擊棒采用鋼材制作，鋼材密度7800 kg/m3，楊氏模量為240 GPa，壓縮波速為5064 m/s。試件與桿件接觸面采用潤滑油以減少二者之間的摩擦。所有沖擊試驗(yàn)均采用厚度3mm、半徑20 mm的圓形橡膠脈沖整形器，并安裝于入射桿沖擊端以獲取沖擊過程中的半正弦沖擊波。脈沖整形器還可延長入射波的上升段時(shí)長，使應(yīng)力平衡更易實(shí)現(xiàn)。沖擊過程中材料破壞過程演變采用高速攝像機(jī)記錄。

根據(jù)一維波動(dòng)理論[12]，試件的應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率可由入射波生成的反射波和透射波，由式（1）～式（3）得出：

式中：σ（t）——試件應(yīng)力，MPa；

L——試件的長度，mm；

AS——試件的截面積，mm2；

A——桿的截面積，mm2；

E——桿的楊氏模量，GPa；

C0——桿的縱波波速，mm/ms；

εR、εT——反射波及透射波的應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擬靜力抗壓試驗(yàn)

試件澆筑完畢后標(biāo)養(yǎng)28d，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表2 混凝土試件的抗壓強(qiáng)度

由表2可見，采用15%、30%橡膠顆粒取代粗細(xì)骨料，大幅降低了混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，與普通混凝土試件相比，橡膠顆粒含量為15%、30%的混凝土試件抗壓強(qiáng)度分別降低了50.4%、71.0%。

2.2 SHPB試驗(yàn)

用SHPB試驗(yàn)研究試件的動(dòng)力性能時(shí)，只有當(dāng)試驗(yàn)機(jī)達(dá)到應(yīng)力平衡，測得的數(shù)據(jù)才可靠，因此需要先進(jìn)行測試，選取滿足應(yīng)力平衡的試件。圖2為測得的各橡膠顆粒含量混凝土試件的應(yīng)力，包括入射應(yīng)力波、反射應(yīng)力波、透射應(yīng)力波及入射與反射應(yīng)力波之和。

圖2 各試件的應(yīng)力平衡

由圖2可以看出，各試件測得的入射波與反射波之和跟透射波吻合較好，這表明本次試驗(yàn)所有試件均達(dá)到了應(yīng)力平衡狀態(tài)。

2.3 試件的破壞形態(tài)及分析

SHPB試驗(yàn)中，由于沖擊速度較快，應(yīng)變率較高，故采用高速攝像機(jī)記錄試件的動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)。普通混凝土試件N-0和15%橡膠顆粒含量混凝土R-15的破壞發(fā)展情況如圖3所示，由于R-30與R-15的破壞形態(tài)較為相似，因此未列出。

圖3 N-0和R-15試件的破壞發(fā)展過程

由圖3可以看出，裂縫最早出現(xiàn)在試件兩端，然后再發(fā)展至中部區(qū)域，隨后裂縫進(jìn)一步布滿試件，這也進(jìn)一步證明了這些試件均達(dá)到了應(yīng)力平衡狀態(tài)。N-0和R-15裂縫發(fā)展情況對比表明，由于橡膠混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度較低，因此裂縫也出現(xiàn)較早，50μs時(shí)R-15試件出現(xiàn)了10條微裂縫，而N-0試件僅在60μs時(shí)出現(xiàn)了2條微裂縫；但從二者后續(xù)的裂縫發(fā)展情況來看，橡膠混凝土延緩了裂縫的產(chǎn)生，在200μs時(shí)，R-15的裂縫數(shù)量明顯少于N-0，在1800μs時(shí)，R-15試件的裂縫數(shù)量仍比N-0試件在200μs時(shí)的裂縫數(shù)量要少；從二者最終破壞的情況來看，N-0試件被粉碎成為一個(gè)個(gè)較小的塊體，而R-15試件被粉碎成了相對較大的塊體。

圖4為3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件在不同應(yīng)變率下的最終破壞形態(tài)。

圖4 3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件的最終破壞形態(tài)

由圖4可見，N-0試件在116 s-1的應(yīng)變率下，被粉碎成了許多碎塊，并且隨著應(yīng)變率的提高，最終形成的碎塊越來越??；而相近的應(yīng)變率下，R-15與R-30試件最終形成的碎塊均比N-0要大。例如在105 s-1的應(yīng)變率時(shí)，R-15試件的外側(cè)混凝土破壞比較嚴(yán)重，而中間部位相對較為完整；R-30試件僅在周邊出現(xiàn)了一些裂縫，整個(gè)試件仍為較完整的保留了以前的形狀。當(dāng)應(yīng)變率增加到125 s-1時(shí)，N-0試件被破壞成了較小的碎塊，而R-15試件被破壞成為相對較大的碎片，而R-30試件仍然較為完整。即使在151 s-1的高應(yīng)變率下，R-30試件也僅在周圍出現(xiàn)了明顯的破壞，其中間區(qū)域仍舊基本完好。綜上，橡膠混凝土在沖擊荷載作用下的損傷隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，這種差異隨著橡膠顆粒含量的提高更加明顯。同時(shí)，應(yīng)變率對橡膠混凝土的破壞形態(tài)影響較小，而對普通混凝土的破壞形態(tài)影響較大。

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖5）

圖5 3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件在不同應(yīng)變率時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可見，3組不同橡膠顆粒含量混凝土試件的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變率的增加而提高，對比各組曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相近的應(yīng)變率下，普通混凝土的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度最高，其次是R-15與R-30，這是由于普通混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度高于橡膠混凝土。

2.5 動(dòng)力放大因子（DIF）

動(dòng)力放大因子（DIF）經(jīng)常被用于定量研究材料的動(dòng)力性能，可以表征材料動(dòng)力強(qiáng)度相對于靜力強(qiáng)度增大的情況。不同橡膠顆粒含量試件的DIF與應(yīng)變率的關(guān)系見圖6。

圖6 DIF與應(yīng)變率的擬合曲線

由圖6可見，相近的應(yīng)變率下，R-30的DIF最高，其次是R-15與N-0，這表明DIF隨著橡膠顆粒含量的增加而增大，即混凝土抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率的敏感性隨著橡膠顆粒含量的增加而增大。當(dāng)應(yīng)變率為125～133s-1時(shí)，N-0、R-15及R-30的DIF分別為1.52、2.54和3.21，相較于N-0，DIF分別增大了67%和111%?；炷恋膽?yīng)變率效應(yīng)主要與以下2種機(jī)制有關(guān)：裂縫開展與斷裂過程的關(guān)系；混凝土變形對完整水泥漿體的影響。這2種機(jī)制與混凝土的動(dòng)力性能密切相關(guān)，第1種機(jī)制在高應(yīng)變率下尤為明顯。

對試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到試件R-15及R-30的DIF與應(yīng)變率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式如下：

由圖6可見，在本文試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍內(nèi)，擬合的曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明本次可用于預(yù)測結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

2.6 能量吸收

能量吸收值也常被用于研究材料的動(dòng)力性能，其為應(yīng)力-應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積。不同橡膠顆粒含量混凝土試件的能量吸收值見表3。

表3 不同橡膠顆粒含量混凝土試件的的能量吸收值

由表3可見，普通混凝土與橡膠混凝土試件的能量吸收均隨著應(yīng)變率的增加而增大；在相近的應(yīng)變率下，橡膠混凝土的能量吸收比普通混凝土小，但橡膠混凝土的能量吸收增加值隨著應(yīng)變率的增加而更為顯著地增大。當(dāng)應(yīng)變率從103s-1增加到150 s-1時(shí)，R-15與R-30的能量吸收值分別增加了18%和117%，表明提高橡膠顆粒含量會增強(qiáng)橡膠混凝土能量吸收能力對應(yīng)變率的敏感性，這使得在高應(yīng)變率下，增加橡膠含量可更好的改善橡膠混凝土的能量吸收能力。

高橡膠顆粒含量的橡膠混凝土的DIF更小，如果提高橡膠顆粒含量對應(yīng)變率效應(yīng)所引起的能量吸收能力的改善小于其對抗壓強(qiáng)度帶來的損失，那么橡膠混凝土的能量吸收將小于普通混凝土。因此，將所有試件的能量吸收值除以自身的抗壓強(qiáng)度，得到正則化能量吸收值，結(jié)果如表3所示。可以看到，橡膠混凝土的正則化能量吸收值顯著大于普通混凝土，當(dāng)應(yīng)變率為141～150 s-1時(shí)，R-15和R-30的正則化能量吸收值分別為37、43（kN/m2）/MPa，較普通混凝土N-0分別增大了54%、79%。此外，R-30的正則化能量吸收值也大于R-15。這表明在相同動(dòng)力抗壓強(qiáng)度下，橡膠混凝土的能量吸收能力大于普通混凝土，并且隨著橡膠顆粒含量的增加而增大。

3 結(jié)論

（1）橡膠混凝土在高應(yīng)變率下具有較好的抗沖擊性能。在相近的應(yīng)變率下，橡膠混凝土基本保持完整，而普通混凝土破壞成為小碎塊。橡膠顆粒的添加顯著地減小了混凝土的裂縫發(fā)展。

（2）相比于普通混凝土，橡膠混凝土對應(yīng)變率更為敏感，并且隨著橡膠顆粒含量的提高，其對應(yīng)變率的敏感性增強(qiáng)。

（3）橡膠混凝土在沖擊荷載下的正則化能量吸收值比普通混凝土。當(dāng)應(yīng)變率為141～150s-1時(shí)，R-15和R-30的正則化能量吸收值分別為37、43（kN/m2）/MPa，較普通混凝土N-0分別增大了54%、79%。

（4）通過對試驗(yàn)結(jié)果擬合，得到了橡膠混凝土的DIF與應(yīng)變率的經(jīng)驗(yàn)公式，擬合結(jié)果較好，可以用于預(yù)測橡膠混凝土在沖擊荷載作用下的動(dòng)力性能。