穆薈宇

西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 四川 綿陽(yáng) 621010

近年來(lái)，地震、船舶撞擊橋梁等事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞及經(jīng)濟(jì)損失，工程結(jié)構(gòu)面臨著強(qiáng)沖擊荷載的危害。因此，研究在動(dòng)荷載作用下，工程材料的力學(xué)性能、動(dòng)力響應(yīng)及失效機(jī)制有著極其重要的工程意義。

同時(shí)，隨著現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，需要的混凝土越來(lái)越多，大量的開山采石將導(dǎo)致資源匱乏。而被拆除的建筑物將會(huì)有大量的廢棄混凝土產(chǎn)生，廢棄的混凝土塊通過(guò)破碎、篩分等一系列程序，就會(huì)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(fù)再利用的問題。同時(shí)，對(duì)節(jié)約物質(zhì)資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)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(qiáng)度會(huì)逐漸降低。Barhmaiah等[2,3,4]發(fā)現(xiàn)再生粗骨料取代率為25 %、50 %、75 %、100 %的再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的增加而降低。

肖建莊[5]通過(guò)在不同應(yīng)變率下，對(duì)再生混凝土進(jìn)行了單軸受壓性能試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)力增大。楊強(qiáng)等[6]研究了普通混凝土與再生混凝土在高應(yīng)變率下的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明，隨著沖擊氣壓值的增大，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均有所增大。學(xué)者們?cè)谠偕炷领o態(tài)力學(xué)性能方面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，得到了很大的進(jìn)展。然而，關(guān)于再生混凝土應(yīng)變率敏感性的研究較為缺乏。

本文通過(guò)對(duì)再生粗骨料取代率為50 %的再生混凝土進(jìn)行SHPB動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)，并與普通混凝土試件進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試兩種混凝土在不同沖擊氣壓下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)，分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線及動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度在不同應(yīng)變率下的變化規(guī)律。本文的研究成果補(bǔ)充了在實(shí)際工程應(yīng)用中再生混凝土材料性能的空白。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

試驗(yàn)所使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，型號(hào)為P.O 42.5，細(xì)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(cè)得再生骨料吸水率為4 %。

試驗(yàn)制作的混凝土試件均按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）[7]進(jìn)行配制。對(duì)再生粗骨料取代率為0 %，配制普通混凝土NAC0，并同時(shí)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(shè)計(jì)詳見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)研究需求，制備標(biāo)準(zhǔn)立方體和φ120mm×80mm[8]圓柱體試件，其中立方體抗壓試件各3個(gè)，共6個(gè)；圓柱體沖擊壓縮試件各15個(gè)，共30個(gè)。如圖1所示，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB／T 50081-2016)[9]進(jìn)行靜態(tài)抗壓試驗(yàn)。對(duì)普通混凝土和再生混凝土試件，通過(guò)120mmSHPB試驗(yàn)裝置，加載0.20MPa、0.22MPa、0.24MPa的沖擊氣壓進(jìn)行單軸沖擊試驗(yàn)。

圖1 混凝土靜態(tài)抗壓試驗(yàn)

SHPB試驗(yàn)裝置為圖2所示，入射桿、透射桿直徑均為120mm，實(shí)驗(yàn)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(lái)減小橫向慣性效應(yīng)和波形彌散效應(yīng)[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(shí)處于一維應(yīng)力狀態(tài)。分別在兩桿的中部貼上應(yīng)變片，用于采集試驗(yàn)中的應(yīng)變。試驗(yàn)通過(guò)控制加載氮?dú)鈿鈮褐祦?lái)改變子彈的入射速度。紅外線測(cè)速儀設(shè)置在入射桿前，從而獲得子彈撞擊入射桿時(shí)的速度。

圖2 SHPB試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

表2所示為兩種混凝土平均靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，可以看出，當(dāng)再生粗骨料取代率為50 %時(shí)，靜壓強(qiáng)度相較于普通混凝土，降低了7 %。這是因?yàn)?，再生粗骨料與新舊砂漿之間，產(chǎn)生較為薄弱的粘結(jié)作用，存在大量裂紋，且再生粗骨料也具有高孔隙率等特點(diǎn)，對(duì)水泥的水化過(guò)程有影響，容易形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致再生混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度逐漸降低。

表2 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

2.2 破壞形態(tài)

兩種混凝土在三種不同的氣壓下，表現(xiàn)出三種不同的破壞形態(tài)，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(tài)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(tài)為輕微龜裂。試件產(chǎn)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(tài)

如圖3（b）所示，當(dāng)沖擊氣壓為0.22MPa時(shí)，再生混凝土的最終形態(tài)表現(xiàn)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(dāng)沖擊氣壓值達(dá)到0.24MPa時(shí)，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(tài)為粉碎。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)應(yīng)力波一維假定、試件均勻性假定的測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法，即二波法，在SHPB試驗(yàn)中試件的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率可表示為：

如圖4所示，為NAC0和RAC1動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，在不同應(yīng)變率下，兩種混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)大致相同。且隨著沖擊氣壓的增大，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變均增大，它們的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增加。

圖4 不同應(yīng)變率下混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

NAC0和RAC1的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線總共分為三個(gè)階段。第一階段為應(yīng)力上升段，應(yīng)力急劇上升，出現(xiàn)峰值應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變呈線性變化。第二階段為應(yīng)力緩沖段，應(yīng)力減少較少，應(yīng)變持續(xù)增大，試件開始破壞。第三階段為應(yīng)變軟化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大逐漸減小，試件完全破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞。

2.4 動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度

在混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度中，通常用動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子DIF來(lái)表示應(yīng)變率效應(yīng)的影響。其中，DIF為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜壓強(qiáng)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(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子DIF

可以看出，RAC1和NAC0具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，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(shuō)明普通混凝土的應(yīng)變率敏感性要低于再生混凝土。

3 結(jié)論

（1）由于再生混凝土新砂漿-舊骨料之間產(chǎn)生的粘結(jié)較為薄弱，且再生粗骨料具有高孔隙率等特點(diǎn)，因此，再生骨料取代率為50%的再生混凝土靜壓強(qiáng)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(xiàn)為三種破壞形態(tài)。當(dāng)沖擊氣壓為0.20 MPa時(shí)，破壞形態(tài)為輕微龜裂；當(dāng)沖擊氣壓為0.22 MPa時(shí)，最終形態(tài)為破碎；當(dāng)沖擊氣壓為0.24 MPa時(shí)，破壞形態(tài)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(yīng)力-應(yīng)變曲線變化大致相同，且隨著沖擊氣壓值的增大，應(yīng)力、應(yīng)變均增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

（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(yīng)變率敏感性要低于普通混凝土。